Unas pocas reglas empíricas ayudan a manejar las sutilezas y los errores habituales al diseñar sistemas de alimentación mediante módulos de potencia.
La industria pone su énfasis en minimizar y eliminar residuos allí donde sea posible, por lo que recae sobre la responsabilidad del diseñador del sistema optimizar toda la arquitectura de potencia. Cada equipo electrónico tiene una red de alimentación que suele estar formada, como mínimo, por cables, barras colectoras, conectores, planos de potencia de cobre en la placa, convertidores y reguladores CA/CC y CC/CC. Toda esta red influye sobre el funcionamiento del diseño debido a las variaciones de la línea, la carga y de tipo ambiental.
Las arquitecturas de potencia se han definido históricamente en las últimas etapas de desarrollo del producto, cuando el espacio y las opciones ya son limitadas. Un método más proactivo que lleva el diseño de la arquitectura a una fase anterior del proceso permite producir sistemas más robustos y capaces de asumir cambios en las especificaciones de diseño durante el desarrollo.
Los diseñadores de potencia se centran a menudo en las etapas de conversión con el fin de lograr la máxima eficiencia de conversión y de minimizar las pérdidas de potencia. El principal impulsor de ello ha sido la gestión térmica ya que las etapas de conversión suelen ser las que más contribuyen a aumentar la carga térmica. Una alta disipación de potencia requiere métodos de refrigeración más complejos y amplios que aumentan el coste y el tamaño, especialmente para aplicaciones en entornos adversos.
La potencia disipada es la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida. La potencia disipada por el convertidor se determina dividiendo la potencia nominal del convertidor entre su eficiencia equivalente decimal: un convertidor cuya potencia nominal sea de 100 W y con una eficiencia del 80% tendrá una potencia de entrada de 125 W y una potencia disipada de 25 W. Es primordial tener en cuenta cada elemento del sistema de este modo con el fin de determinar las pérdidas totales del sistema. Aumentar la eficiencia, incluso en una pequeña medida, puede reducir las pérdidas de manera significativa. Por ejemplo, un incremento de 10 puntos de la eficiencia (hasta el 90% en este ejemplo) no parece gran cosa, pero disminuye la potencia disipada en más de la mitad: 11,1 W en lugar de 25 W.
¿Qué consecuencias tiene este aumento de la eficiencia para la red de alimentación? Además de reducir el impacto térmico de un convertidor, también disminuye la demanda en la fuente de entrada puesto que necesita entregar menos potencia. La menor potencia utilizada también significa que, para una determinada tensión de entrada, la corriente de la fuente también es más baja. Según la ley de Ohm, la potencia se puede ver como el producto de la tensión y la corriente y como el producto de la resistencia por el cuadrado de la corriente (P = VI = I2R). Al analizar redes de alimentación se suele pasar por alto el término de la resistencia. Todas las conexiones entre la fuente y la carga tienen una resistencia fija y todas ellas generan pérdidas de potencia en el sistema. También existen componentes de seguridad y estabilidad que aumentan las pérdidas totales de potencia y que se deben tener en cuenta: fusibles, disyuntores y filtros para reducir las interferencias electromagnéticas y alisar la tensión. En cada uno de estos elementos hay una caída de tensión que puede degradar la estabilidad de los reguladores conmutados y generar otros problemas dentro del sistema.
Los equipos de uso final abastecidos por la red de alimentación y que se caracterizan por sus grandes oscilaciones de potencia, como una CPU, una carga pulsada o un motor, provocarán una variación significativa de la tensión a la entrada y la salía del convertidor. Por regla general, la impedancia de la fuente que vea el convertidor debería ser diez veces menor que la impedancia más baja que presenta el convertidor.
Volviendo a la eficiencia del 90% en el ejemplo del convertidor de 100 W, supongamos que el rango de entrada operativo de este dispositivo es 18–36 V. Para una entrada de 18 V, el convertidor consume unos 6,2 A. La impedancia de entrada del convertidor (R) es por tanto V/I o 18/6,2 = 2,9 Ω. A 36 V la corriente de entrada es la mitad, por lo que la impedancia es de 11,7 Ω. Para la impedancia de entrada más baja del convertidor, la regla empírica dicta que la impedancia de la fuente que asegure un funcionamiento estable no debería ser superior a 0,29 Ω.
Una red de alimentación de baja tensión de 12 V que alimenta cinco cargas independientes. En este ejemplo las cargas son de baja tensión (< 5 VCC) y circula una corriente más alta entre ellas y los convertidores (se ilustra con un trazo grueso).
Un aspecto que merece ser destacado es la importancia de la estabilidad del sistema al diseñar un sistema de alimentación. Este análisis simplificado de la resistencia no tiene en cuenta los elementos reactivos, es decir, la capacidad y la inductancia, tanto real como aparente, que pueden provocar resonancias y otros problemas si no se comprenden bien. Estos aspectos quedan fuera del ámbito del presente artículo.
¿Qué se puede hacer para optimizar la red de alimentación por lo que se refiere a las pérdidas de potencia del sistema?
Tanto si se trata de analizar un diseño existente como de crear una nueva arquitectura desde cero, el método es el mismo.
Una red de alimentación mejorada con la tensión de la fuente elevada de 12 a 48 VCC. Las cinco cargas independientes necesitan la misma corriente que las mostradas en el primer ejemplo. Gracias a la mayor tensión de la fuente, la corriente que circula entre la batería y la etapa de conversión es menor (indicada por el trazo fino).
En primer lugar, y aunque pueda parecer obvio, utilice los convertidores más eficientes que tenga a su disposición. Plantee la red de alimentación en dos partes: las salidas desde la carga (o cargas) de la aplicación real hasta la primera etapa de conversión, incluidas todas las etapas de conversión intermedias, y la entrada entre la fuente y la primera etapa de conversión.
La carga de la aplicación necesitará una tensión mínima predeterminada. La demanda de corriente de los modernos sistemas electrónicos puede ser elevada, en algunos casos por encima de 1000 A para niveles inferiores a 1 V. Para minimizar las pérdidas en estas aplicaciones se colocan convertidores de punto de carga (point-of-load, PoL) cerca de la carga que consume la potencia.
PoL evita las largas distancias de cableado entre el convertidor y la carga que caracterizan a las fuentes de alimentación convencionales y suministra una tensión precisa que cubre las necesidades de baja tensión y alta corriente. La etapa PoL debería ubicarse lo más cerca posible físicamente de la carga que alimenta con el fin de minimizar la resistencia de interconexión.
Pasando a la entrada, la tensión de entrada PoL debería ser tan alta como práctica. Pensemos en una red de alimentación de baja tensión de 12 V para cinco cargas independientes. En este ejemplo, las cargas son de baja tensión
(< 5 VCC) y la corriente que circula entre ellas y los convertidores es más alta.
Una configuración de este tipo podría ser la alimentación de un ordenador antiguo, el sistema de alimentación de un vehículo o la carga útil de un dron. Existe una resistencia fija de la pista hasta le entrada de los PoL que experimentará una determinada disipación de potencia para cualquier nivel de potencia operativa. Si podemos multiplicar la tensión por cuatro (es decir, hasta 48 V) para la misma potencia, la corriente que circule por este ramal será una carta parte del nivel previo. Gracias al término de la corriente al cuadrado en la ecuación de la potencia, la nueva disipación de potencia es significativamente inferior y también hay una menor desviación de la tensión.
Además, 48 V es una buena tensión de distribución porque también se encuentra dentro de los límites de la tensión baja de alta seguridad (Safety Extra Low Voltage, SELV) definidos por la IEC por su bajo riesgo de descarga eléctrica. En una aplicación existente, elevar la tensión exigirá diferentes PoL. En este caso, una técnica modular que utilice un dispositivo con el mismo tamaño del encapsulado facilitará la conversión ya que los convertidores se colocarán en el mismo lugar.
En la parte superior se puede ver una comparación entre la corriente, la caída de tensión y la pérdida de potencia para diferentes tensiones de la fuente en cada conductor del cable para un vehículo aéreo que requiere 500 W. En la parte inferior se muestra la red de alimentación optimizada del dron cautivo entre la alimentación en tierra y el vehículo. Los 800 V utilizados minimizan las pérdidas de transmisión críticas y las variaciones de la tensión ocasionadas por el funcionamiento del vehículo aéreo no tripulado. Dado que la corriente es significativamente más baja que con unas tensiones de alimentación inferiores, la adopción de 800 V ha añadido la ventaja de reducir potencialmente los efectos del viento y el peso ya que permite usar conductores de menor diámetro. Pensemos en el ejemplo más extremo de un vehículo aéreo no tripulado de tipo cautivo o un dron y concretamente en los efectos entre la fuente y la primera etapa de conversión. El cable representa la conexión con la alimentación en tierra.
Supongamos que el cable tiene unos 30 m de longitud y contiene conductores 24 AWG, cada uno de ellos con una resistencia aproximada de 2,5 Ω por cada
30 m. Para una distribución de 48 V, la corriente en este cable es de unos 10 A; la resistencia es de 5 Ω para los 30 m, por lo que la pérdida de potencia en el cable es de 500 W (!) Está claro que este vehículo no puede volar porque el cable disipa toda la potencia y no le deja nada al vehículo.
Valoremos ahora recurrir a una tensión de entrada más alta. Supongamos que el sistema es de 400 V con las mismas condiciones indicadas antes.
Para una distribución de 400 V, la corriente en el cable cae hasta unos 1,25 A y el cable solo disipa alrededor de 8 W. Duplicar la tensión de entrada hasta 800 V disminuye la corriente en el cable hasta unos 0,6 A, reduciendo así la disipación de potencia en el cable hasta unos 2 W. La menor corriente consumida permite utilizar conductores de menor diámetro en el cable, lo cual a su vez reduce el arrastre y el efecto del viento, y posiblemente también la potencia que necesita el vehículo aéreo no tripulado.
La disipación de potencia es importante, pero la regulación al final del cable también lo es. Los reguladores a bordo del vehículo tendrán un rango de tensión de entrada definido. Existe una caída de tensión a lo largo de la resistencia del cable: para un cable 24 AWG de 30 m y su resistencia total de 5 Ω hay una caída de tensión de 5 V por cada amperio de corriente. Reducir la caída de tensión en el cable también disminuye la caída de tensión respecto a la tensión aplicada, mejorando así la regulación. Si la tensión se duplica y la corriente se divide por la mitad, la caída de tensión en el cable se divide por la mitad y la caída de tensión hasta la carga se divide por cuatro.
Parece evidente que pasar a una fuente de 800 V en tierra es la manera de optimizar la transmisión de la alimentación por el cable. Pero el vehículo aéreo no tripulado debe reducir esos 800 V hasta tensiones más bajas para alimentar sus motores y dispositivos electrónicos. Para esta parte de la red de alimentación, los 48 V de la electrónica de a bordo son la mejor opción por las razones descritas anteriormente.
La optimización de la red de alimentación se puede resumir en seis pasos:
- Piense primero en la potencia. Cuando ya conozca los requisitos iniciales de potencia, deje espacio para un diseño de potencia modular. La técnica modular es flexible y adaptable.
• Preste atención a cada elemento que conduce corriente.
• Utilice las tensiones más altas posibles para disminuir la corriente necesaria.
• Utilice los elementos de conversión con la mayor eficiencia posible con el fin de reducir las pérdidas de conversión.
• Utilice los dispositivos con la mayor densidad de potencia para colocarlos cerca de las cargas.
• Minimice la resistencia de interconexión tanto como sea posible en la práctica con el fin de reducir la caída de tensión y la pérdida de potencia.
