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Fabricar o comprar fuentes de alimentación CA/CC: aspectos a tener en cuenta

Los cambios introducidos en las regulaciones industriales y los CI disponibles han renovado esta vieja pregunta

 
Los diseñadores llevan años enfrentándose al dilema entre diseñar y fabricar su propia fuente de alimentación CA/CC o bien comprarla a un suministrador externo. Durante los últimos años han evolucionado los criterios en los que se basa esta decisión, las herramientas y componentes disponibles, y los requisitos de la fuente, pero la decisión sigue teniendo igual importancia.

 

Una unidad de este tipo suele funcionar a partir de una toma a la red de CA (120V/240V nominales, 50/60Hz) y suministra uno o más carriles de CC, generalmente entre unos pocos voltios y unos 48V, por bajo de 1000W. Por ejemplo, la fuente CA/CC de N2Power mostrada en la Figura 1 proporciona 375 W de salida entre 12V y 56V (dependiendo del modelo) y ocupa 3,3 x 5,0 pulgadas (8,4 x 12,7 cm), con una densidad de potencia de 15 W/pulgada cúbica (1W/cm3) mediante refrigeración de aire forzada, y 260 W con refrigeración por convección.

Pero actualmente las fuentes deben hacer algo más que suministrar energía. Deben cumplir unas regulaciones de seguridad cada vez más estrictas, estándares de EMI/RFI, requisitos de eficiencia y objetivos sobre la corrección del factor de potencia (power factor correction, PFC). En algunas aplicaciones especiales, como la instrumentación médica, también se han de diseñar de forma que el nivel de fugas se mantenga por debajo de un determinado umbral, así como garantizar que los fallos de los componentes no supongan una amenaza para la vida.
 

Los CI avanzados facilitan el diseño
 

Los CI actuales le facilitan llevar a cabo su propio diseño. Muchos de ellos tienen embebido el control y los algoritmos para PFC y mejoran la eficiencia, la respuesta ante transitorios, las prestaciones de carga/línea y la minimización de EMI. Incorporan topologías avanzadas y modos de funcionamiento que serían difíciles de diseñar a uno mismo.
Algunos CI son compatibles con las fuentes controladas digitalmente, en las cuales el sistema puede monitorizar numerosos parámetros internos de la fuente y ajustarlos dinámicamente para un funcionamiento óptimo dependiendo de factores internos (como por ejemplo la carga) así como de aspectos externos (como la temperatura ambiente y los costes de suministro de CA).
Los suministradores ofrecen asimismo diseños de referencia y herramientas de desarrollo que, a primera vista, pueden hacer que el diseño de la fuente parezca muy sencillo. Existen dos tipos de soluciones. En el primero de ellos se obtiene un diseño de referencia detallado para una fuente determinada (como puede ser una de 375W y 48VCC) que incluya los esquemáticos, el trazado de la placa de circuito impreso y la lista de materiales. En el segundo grupo se utilizan las herramientas del suministrador para definir las especificaciones necesarias y se obtienen los correspondientes CI, componentes pasivos, diagramas esquemáticos, trazado y curvas de prestaciones.
La razón más habitual para realizar el diseño de la fuente internamente es que el formato del producto sea poco común o único. La fuente de alimentación del ordenador portátil de Apple, Figura 2, es un buen ejemplo. Las limitaciones de espacio difieren mucho de lo que puede lograr una fuente estándar.
Además, los elevados volúmenes de producción de estos productos de consumo pueden justificar el diseño a medida. Si se buscan unas 1.000 unidades/mes o más se amortizará el proceso de diseño/homologación y un minucioso análisis de la lista de materiales puede dar como resultado unos mayores márgenes de beneficio.
Otra razón para asumir el diseño es que los requisitos superen a los productos disponibles en el mercado o bien que haya pocos suministradores que cumplan algunos de los requisitos. Esto ocurre por ejemplo en fuentes con una elevada tensión CC (>1000V). Incluso en este caso puede haber suministradores que se acerquen a sus necesidades o bien pueden modificar su oferta.
El diseño de la fuente de alimentación es un equilibrio entre diferentes aspectos y limitaciones acerca de las prestaciones nominales, eficiencia, cuestiones de tipo térmico, valores máximos/mínimos de los parámetros, coste, complejidad, fiabilidad, riesgo técnico e incertidumbre ligada al suministrador de la lista de materiales. Existen además algunas aplicaciones en las que un parámetro tiene tal importancia que sólo una fuente a medida de diseño propio podrá cumplir la función ya que no hay ninguna unidad en el mercado que priorice ese parámetro.
Otro motivo para realizar un diseño propio es que los requisitos sean más flexibles que en las fuentes habitualmente disponibles, y que se pueda “salir adelante” con menos. Una fuente para unas luces básicas de señalización puede tener unas especificaciones nominales poco exigentes para la precisión de salida, digamos del orden del ±5%, y pocos o ningún requisito acerca de cargas transitorias, por lo que puede bastar un diseño de bajo coste. En el otro extremo, es posible que se necesiten unas especificaciones muy superiores a lo que hay disponible en el mercado, algo que ocurre en ocasiones con las aplicaciones de tipo científico.
Una última razón para realizar un diseño propio es el nivel de especialización de su empresa. Si lleva años diseñando fuentes y conoce bien el equilibrio, el cumplimiento y las pruebas relativas a los requisitos de tipo técnico y regulatorio, está por delante de muchos fabricantes OEM dedicados al diseño y especializados en diseño digital.
 

Pues entonces, ¿por qué no realizar su propio diseño?

 
Si bien el diseño de una fuente de tipo básico puede resultar sencillo, un diseño totalmente homologado que cumpla todas las especificaciones en cuanto a prestaciones y regulaciones no lo es, y eso sin tener en cuenta el coste y el suministro de los numerosos componentes del diseño completo. Empecemos por el propio diseño. Los CI pueden implementar una topología compleja pero cada fuente CA/CC necesita muchos componentes además de los CI. Su definición y aprovisionamiento se puede convertir en un quebradero de cabeza, sobre todo cuando sus características secundarias sean relevantes. Por ejemplo, un condensador se define principalmente por su capacidad y su tensión de trabajo, pero su resistencia serie equivalente (equivalent series resistance, ESR) que afecta a su funcionamiento, especialmente a las frecuencias más altas. Incluso con el dispositivo adecuado, hay que afrontar dificultades con el suministrador. El departamento de compras puede sustituir un dispositivo con idéntico valor nominal para un inductor, por ejemplo, con el fin de reducir el coste. Como resultado de ello pueden aparecer problemas de funcionamiento meses después.
También es preciso establecer para el diseño su rango de funcionamiento entre unos valores mínimos y máximos: ¿será para una tensión de línea dentro de un rango determinado, como 120 VCA±10% nominal, o el rango completo (120/240 VCA)? El diseño anterior es más fácil de realizar, y menos costoso, pero también exige añadir un segundo diseño para la otra toma de CA, si tiene previsto dirigirse a diversos mercados a escala mundial. Se necesita establecer un plan de test para el diseño: ¿cómo asegurarse de que funcionará bajo “condiciones límite”, como una alta/baja tensión línea más la máxima temperatura ambiente más transitorios de línea/carga, todo ello al mismo tiempo? Además está la refrigeración: ¿tiene previsto utilizar refrigeración por convección? ¿Dispone de las herramientas necesarias para modelar su fuente y su entorno de funcionamiento para estar seguro de que el caudal de aire disponible será suficiente? ¿Cómo se monta la fuente? Puede haber una gran diferencia cuando funciona la refrigeración. Si llega a la conclusión de que necesita un ventilador, ¿de qué tamaño será?
Si diseña su propia fuente de alimentación, es probable que utilice un CI o juego de circuitos de un suministrador que también proporciona un diseño de referencia. ¿El diseño de referencia ha sido construido o se trata tan sólo de un esquemático que cuenta con el soporte de una simulación? Es probable que las prestaciones reales no sean las previstas, ya que el trazado físico, enrutamiento y tamaño de las pistas del plano de tierra, alimentación y control, así como los conectores, harán que incluso la mejor simulación posible tan sólo sea se aproxime de lejos al comportamiento del circuito real.Aunque el diseño de referencia incluya un trazado de la placa deberá tener mucho cuidado si introduce algún cambio en el trazado o la lista de materiales. Un cambio aparentemente menor puede afectar negativamente a las prestaciones. Es preciso recordar que una fuente de alimentación es un amplificador en lazo cerrado que puede oscilar, presentar problemas de respuesta ante transitorios, junto con su sensibilidad ante EMI/RFI.
 

La jungla de regulaciones y estándares

 
Incluso una fuente bien diseñada y comprobada afronta regulaciones y estándares, que son cada vez más exigentes ya que as los estándares se actualizan anualmente.
Estos estándares cubren estos aspectos:
• Seguridad básica, que afecta al aislamiento, la técnica de aislamiento, la separación entre pistas y la topología de diseño.
• Emisiones de EMI, que vienen determinadas por la frecuencia de funcionamiento de la fuente, sus formas de onda internas, características de conmutación y trazado.
• Eficiencia, que se calculan como la relación entre la línea eléctrica de CA y la salida de CC.
• Corrección del factor de potencia (power factor correction, PFC), que define lo resistiva que es la fuente desde el “punto de vista” de la toma de CA como carga.
Si la fuente no se ve como resistiva (generalmente no lo son), el diseño debe aplicar técnicas que acerque el factor de potencia a la unidad. (IEC61000-3-2)
Otra dificultad de tipo regulatorio es su naturaleza mundial, lo cual significa establecer contacto con numerosas autoridades regulatorias, cada una con su forma de realizar pruebas y de hacer negocios.

 
Conclusión

 
Si bien los actuales CI, diseños de referencia y herramientas facilitan el diseño de su fuente de alimentación, sería muy difícil que alguien no experto alcance el conjunto de especificaciones de la unidad de N2Power mostrada en la Figura 1, especialmente si se añaden las cuestiones relacionadas con las regulaciones y su fabricación.



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