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Un diseño basado en la eficiencia de DC/DC miniaturizados aporta mejoras en IoT y sistemas ciber físicos

Existen dos grandes tendencias que apuntalan la industria de la electrónica: reducción de coste y miniaturización. La Ley de Moore reúne ambos aspectos en un circuito integrado (IC) para ofrecer chips más avanzados en un encapsulado más compacto con menor coste en cada generación. La combinación de estas mega-tendencias ha llevado el control electrónico a prácticamente cualquier actividad de nuestra vida y, por ello, estamos trabajando para respaldar un gran salto en aplicaciones como Internet de las Cosas (IoT) y sistemas ciber físicos (SFC), donde la tecnología digital se utiliza para monitorizar el movimiento de dispositivos electromecánicos. 

Gran parte del protagonismo de IoT se encuentra en el lado de Networking del sistema: cómo los sensores generan datos a la nube. Sin embargo, parece más importante el grado de gestión local y autonomía que este enfoque aporta a los controladores electrónicos. Esto hace posible el diseño de robótica y sistemas de control de movimiento con un procesador en cada “unión”. Cada uno de ellos monitoriza un motor con muy diversos tamaños, desde diminutos actuadores de alta precisión a grandes motores AC o síncronos, empleando las últimas generaciones de circuitos puente e inversor IGBT. 

En estas aplicaciones, coste y miniaturización resultan esenciales, ya que los diseños demandan que tanto los controles electrónicos como el suministro de alimentación se produzcan lo más cerca posible al subsistema monitorizado. Esto es todavía más importante en diseños de convertidor de punto de carga (PoL) donde, al beneficiarse de mayor eficiencia y menores pérdidas I2R, la energía necesita ser distribuida a lo largo del sistema con elevada tensión antes de convertirse a los niveles requeridos por los controladores digitales y los transistores, que funcionan como fuente de alimentación de actuadores y sensores. 

Pero esta no es una disminución de coste utilizando “atajos”, sino que se trata de una reducción holística a través de una arquitectura y un diseño que mantienen las características vitales, como aislamiento. Sectores como la sanidad demandan un mayor ratio de aislamiento y los test necesarios para garantizar una operación segura tras un fallo. 

Si elige una fuente de alimentación con un menor ratio de aislamiento, el diseñador de sistema tendrá que garantizar la protección de los pacientes mediante otros medios que cumplan las terceras ediciones de los estándares IEC 60601-1 para sistemas médicos. Si la fuente de alimentación ha sido diseñada para proporcionar únicamente protección al profesional sanitario, que supone el menor nivel de seguridad, se necesita contar con planes de aislamiento en caso de que el paciente entre en contacto con el sistema. Aunque el coste de una fuente de alimentación con protección para operario puede ser la mitad de la de otra para uso con pacientes, el diseño adicional podría hacerla más costosa. 

No obstante, el aislamiento conlleva una compensación con la eficiencia en diseños de conversión de potencia convencional. Al centrarse en la eficiencia de la arquitectura del convertidor, fabricantes como Aimtec y Murata Power Solutions han desarrollado dispositivos que ofrecen la miniaturización y el aislamiento demandados en esta nueva generación de sistemas ciber físicos. Estos productos aportan la trazabilidad de la metodología 8D que no se encuentra disponible en otras compañías que han optado por reducir el coste a través de utilizar compones de menor calidad. 

Un enfoque basado en la eficiencia de conversión DC/DC da sus frutos de varias maneras. Las mejoras en la arquitectura permiten el uso de nuevos componentes magnéticos, FET y controladores de potencia que aportan eficiencia en un mayor rango de carga que alternativas anteriores. No sólo esto, estos diseños innovadores rinden en rangos ampliados de temperatura, gracias a la combinación de una mejor refrigeración y la exclusión de componentes “problemáticos” conocidos. Por ejemplo, la serie MMV de Murata puede trabajar con una temperatura entre -40 y +85 °C. Estos modelos utilizan condensadores internos no electrolíticos o de tantalio y una construcción SMD con imanes toroidales para ahorrar espacio. Las unidades MMV también se distinguen por protección ante cortocircuito y operación zero load. 

Las nuevas arquitecturas dotan de mayor flexibilidad en diseño, que los fabricantes de convertidores están aprovechando para proporcionar los productos que el mercado verdaderamente necesita. Diversos informes han demostrado que muchos convertidores DC/DC de 1 W suelen operar con una carga de 0.25 a 0.6 W. Como respuesta, Murata ha creado su series CMR y CME para ofrecer un pico de salida de 0.75 W.  Y para aquellos sistemas que necesitan aislamiento, como los encontrados en instrumentos médicos y robótica de alta precisión, Murata ha lanzado el MGJ2, un convertidor de 2 W capaz de rendir en sistemas basados en IGBT low-side y high-side. Este modelo dota de un aislamiento de 5.2 kV en un encapsulado SIP7.  La protección también es fundamental, por lo que el AM1G-Z de Aimtec tiene un diseño de elevada eficiencia para alojar un convertidor de 6 W en una cubierta SIP8 con un aislamiento de 3 kV. 

Aimtec también ha desarrollado una gama completa de convertidores miniaturizados para respaldar aplicaciones IoT y sistemas ciber físicos, entre otros. 

Estos dispositivos con un diseño eficiente operan en un rango ampliado de temperatura de -40 a +105 °C e incluso de -50 a +125 °C con una pequeña limitación de potencia (derating) al rendir con las temperaturas más elevadas: así, la operación derated a +125 °C todavía es un 80 por ciento del valor de +105 °C, demostrando las prestaciones de una solución de alta eficiencia que limita el auto-calentamiento en front-ends ciber físicos puede trabajar en entornos adversos.  Al continuar concentrándose en la eficiencia de arquitectura, compañías como Aimtec y Murata seguirán a la vanguardia en reducción de coste y tamaño sin comprometer otros factores, como aislamiento y trazabilidad, esenciales en la expansión de IoT y sistemas ciber físicos. 




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