Cómo las fuentes de alimentación modulares y configurables pueden ayudar a los ingenieros a optimizar el diseño de sistemas de alimentación

Autor: Giulio Bocciolini, director de marketing de productos modulares y configurables, TDK-Lambda

En muchas aplicaciones, los ingenieros de diseño necesitan soluciones CA-CC de salida múltiple para sus equipos finales. Dependiendo del número de salidas requeridas, hay tres opciones principales: fuentes de alimentación CA-CC de salida única múltiple, una arquitectura de alimentación distribuida (DPA) o fuentes de alimentación modulares y configurables. En este artículo se exploran los aspectos técnicos del uso de cada opción y se analizan sus principales ventajas e inconvenientes.

Fuentes de alimentación múltiples de salida única

El uso de varias fuentes de alimentación CA-CC de salida única parece un enfoque sencillo, como se muestra en la figura 1. Es relativamente fácil adquirir unidades estándar de salida única de una amplia gama de proveedores, y el coste inicial de su compra es potencialmente bajo en comparación con soluciones más complejas.

Figura 1. Diagrama de bloques que ilustra un sistema de alimentación que utiliza múltiples fuentes de alimentación de salida única

Sin embargo, varias unidades ocuparán inevitablemente más espacio que una sola unidad de salida múltiple, lo que supone una limitación crítica en aplicaciones con restricciones de espacio. Además, cada fuente de alimentación genera su propio calor, y gestionar la salida térmica de varias unidades muy próximas entre sí puede ser complicado, lo que puede requerir soluciones de refrigeración adicionales, como disipadores de calor, ventiladores de refrigeración o ambos.

Cuando se utilizan varias unidades simultáneamente, también existe el riesgo de interferencias electromagnéticas (EMI). Las EMI pueden afectar al rendimiento del equipo, reducir la calidad de la alimentación, aumentar los niveles de ruido, interferir con otros dispositivos y reducir la eficiencia. Si no se controlan, las EMI también pueden complicar el cumplimiento de las normas internacionales de compatibilidad electromagnética (EMC), como las de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC).

En aplicaciones médicas, en particular, la suma de las corrientes de fuga a tierra de varias unidades puede superar los límites de seguridad, generalmente 500 µA, lo que hace que este enfoque sea menos viable, incluso si cada fuente de alimentación de salida única cuenta con certificación médica. Dado que los fabricantes de fuentes de alimentación especifican principalmente sus unidades con certificación médica con una corriente de fuga a tierra de alrededor de 250 µA, en el mejor de los casos, solo se pueden utilizar dos de ellas en el diseño del sistema. Sin embargo, algunas fuentes de alimentación de salida única del mercado superan esa especificación de 250 µA. Por ejemplo, las fuentes de alimentación CUS250M de TDK-Lambda tienen una corriente de fuga a tierra inferior a 150 µA, lo que permite utilizar tres de ellas en su sistema de alimentación.

También hay que tener en cuenta la corriente de irrupción acumulada, que puede plantear dificultades durante la instalación y requerir una protección especial del circuito o un acondicionamiento de la alimentación. De hecho, el cableado, especialmente para la entrada de CA, se vuelve más complicado y engorroso, lo que aumenta los riesgos o los errores durante la instalación y el mantenimiento. Cada unidad adicional introduce posibles puntos de fallo, lo que reduce la fiabilidad general. Durante la producción, la gestión del stock de diferentes referencias puede complicar la logística y aumentar el riesgo de agotamiento de existencias o retrasos.

Arquitectura de alimentación distribuida

La arquitectura de alimentación distribuida (DPA) es un enfoque del diseño de la fuente de alimentación que separa el proceso de conversión CA-CC de la conversión CC-CC más cerca del punto de carga, véase la figura 2. Este método puede ofrecer varias ventajas a los ingenieros de diseño, especialmente si solo se necesitan un par de salidas adicionales. Sin embargo, como cualquier elección de diseño, la DPA tiene sus propias ventajas y desventajas.

Figura 2. Diagrama de bloques que ilustra múltiples cargas alimentadas mediante una arquitectura de alimentación distribuida (DPA)

Inicialmente, la DPA puede ser más rentable en términos de coste de adquisición. Al utilizar un convertidor CA-CC estándar y distribuir la alimentación CC donde sea necesario, los diseñadores pueden aprovechar las economías de escala y reducir el coste del sistema en su conjunto. También permite una mayor flexibilidad en el diseño y la disposición mecánica del sistema. Dado que los convertidores CC-CC pueden colocarse más cerca de sus cargas, los ingenieros tienen más libertad de diseño a la hora de disponer los componentes dentro del equipo, lo que puede dar lugar a un uso más eficiente del espacio y a un mejor rendimiento.

Este enfoque DPA también facilita la escalabilidad y la modularidad del diseño. Los ingenieros pueden añadir o eliminar fácilmente convertidores CC-CC para adaptarse a los requisitos de potencia específicos de las diferentes partes del sistema sin necesidad de rediseñar toda la fuente de alimentación. Sin embargo, a medida que aumenta la potencia de salida requerida en las salidas secundarias, su integración mecánica y térmica se vuelve más crítica. Garantizar una refrigeración y una estabilidad mecánica adecuadas para los convertidores CC-CC de alta potencia puede ser un reto, especialmente en diseños compactos.

La implementación de DPA requiere un equipo capaz de integrar varios componentes en una o más placas de circuito impreso. Esto exige un mayor nivel de experiencia en diseño electrónico, incluyendo conocimientos sobre gestión de la alimentación, consideraciones de EMC y gestión térmica. Es responsabilidad del ingeniero organizar las pruebas completas de EMC y el cumplimiento de la normativa, así como las pruebas térmicas. Estos pasos adicionales pueden añadir un tiempo y un coste significativos al proceso de desarrollo, en términos de «tiempo de cámara EMC» y «tiempo de ingeniería» adicional, especialmente en sistemas complejos de equipos médicos con requisitos normativos estrictos.

Al igual que con las soluciones múltiples de salida única, el enfoque DPA requiere el abastecimiento de diversos componentes y, posiblemente, la gestión de proveedores externos de servicios de fabricación electrónica (EMS). El resultado puede ser una cadena de suministro más complicada y un aumento de los gastos generales de gestión. Además, si se necesita aislamiento galvánico entre diferentes partes del sistema, se requieren convertidores CC-CC aislados, que suelen ser más grandes y caros que los no aislados, lo que reduce las ventajas de coste de la DPA.

Productos modulares o configurables

El uso de una fuente de alimentación modular o configurable es una opción atractiva para los ingenieros que buscan una solución versátil y lista para usar para sus necesidades de diseño de sistemas, véase la Figura 3. Por lo general, son más compactas que una solución equivalente que comprende varias unidades de salida única. Esta característica de ahorro de espacio es especialmente beneficiosa en aplicaciones en las que el espacio es muy valioso.

Figura 3. Una fuente de alimentación modular y multi-salida lista para usar, como la serie MU4 de TDK-Lambe, puede suministrar hasta cinco cargas

Otra ventaja de utilizar una fuente de alimentación modular o configurable es que no requiere un profundo conocimiento técnico del producto ni el mantenimiento de departamentos especializados de I+D y seguridad. Viene con certificación de seguridad completa, prestaciones EMC conocidas y valores de corriente de fuga a tierra especificados. La compacta serie TDK-Lambda MU4, por ejemplo, puede proporcionar hasta cinco salidas y cuenta con medios completos de aislamiento para la protección del paciente (MOPP), incluida la salida a tierra, para simplificar la implementación en aplicaciones médicas con clasificación BF (flotación del cuerpo). Estas características reducen significativamente el tiempo y los recursos necesarios para garantizar que el equipo final cumpla con los estrictos requisitos normativos. Además, estas unidades producen un ruido audible muy bajo, lo que mejora la experiencia del usuario y del paciente.

Tanto las fuentes de alimentación modulares como las configurables están diseñadas para ser adaptables, lo que permite personalizarlas según las necesidades específicas del equipo final. Este enfoque «plug-and-play» facilita la instalación y el cableado, reduce los tiempos de configuración y simplifica el mantenimiento futuro, lo que lo hace especialmente atractivo para equipos pequeños o empresas que buscan optimizar sus procesos de desarrollo.

Yendo un paso más allá, el Quick Product Finder de TDK-Lambda es una herramienta online fácil de usar que selecciona automáticamente el módulo más adecuado tras introducir los voltajes y corrientes de salida deseados. Además, como la fuente de alimentación especificada solo tendrá un número de referencia, la gestión del inventario es mucho más sencilla. También puede reducir la complejidad logística y los requisitos de almacenamiento, lo que se traduce en un ahorro de costes y una mayor eficiencia en la fabricación.

Conclusión

Aunque a primera vista puede parecer rentable y sencillo optar por varias fuentes de alimentación CA-CC de salida única, las implicaciones a largo plazo en cuanto a tamaño, gestión térmica, fiabilidad y cumplimiento normativo pueden reducir considerablemente el ahorro inicial percibido. Explorar soluciones CA-CC integradas de salida múltiple suele ser el enfoque más prudente para aplicaciones que requieren una solución de alimentación de alta calidad, fiable y compacta, especialmente en entornos sensibles o de alto rendimiento, como las aplicaciones médicas o industriales.

Por otro lado, DPA ofrece un enfoque flexible y potencialmente rentable para desarrollar soluciones AC-DC de salida múltiple. Sin embargo, exige un alto nivel de experiencia en el diseño de sistemas de alimentación y pruebas exhaustivas para garantizar la fiabilidad, el cumplimiento normativo y el rendimiento. La decisión de utilizar DPA debe basarse en una cuidadosa consideración de estos factores, sopesándolos con los requisitos y limitaciones específicos de la aplicación final.

Las fuentes de alimentación modulares y configurables ofrecen una solución atractiva para los ingenieros que buscan equilibrar las exigencias de suministro de energía, certificación y facilidad de integración en sus proyectos. Proporcionan una vía simplificada para cumplir con las normas de seguridad y EMC, simplifican el inventario y la logística, y hacen que la integración de la fuente de alimentación sea accesible a equipos sin profundos conocimientos técnicos.

Independientemente del enfoque de diseño del sistema de alimentación que decida adoptar, le recomendamos encarecidamente que se ponga en contacto con su proveedor para obtener asesoramiento y orientación. Es probable que el fabricante de los productos de alimentación, e incluso sus distribuidores, tengan conocimientos y experiencia en el desarrollo de un diseño de sistema similar.