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Potencia de diseño para entornos difíciles usando los módulos de potencia PFH500 de TDK-Lambda

Por Steve Taranovich

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Debido al paso a la Internet Industrial de las Cosas (IIoT) y a la aparición de la 5G, los sistemas electrónicos se están implementando en aplicaciones cada vez más diversas y exigentes. Para los diseñadores de estos sistemas, se hace hincapié en las fuentes de alimentación que cumplen con los requisitos de fiabilidad cada vez mayores. Para satisfacer estas demandas de fiabilidad, características como la resistencia física y la mitigación de la interferencia electromagnética (IEM) son críticas, así como la inteligencia y la conectividad incorporadas necesarias para actuar dentro del nuevo paradigma de conexión del IIoT.

Conforme a este paradigma, los diseñadores pueden mitigar los efectos del suministro de energía y el tiempo de inactividad del sistema a través del autodiagnóstico, mientras que también permiten actualizaciones, ajustes y monitoreo de desempeño a distancia mientras están en operación.

Este artículo presenta una solución a estos requisitos en forma de módulos de alimentación de la línea PFH500 de TDK-Lambda. Muestra cómo el diseño ambiental de la fuente de alimentación, con la incorporación del PMBus, puede mejorar la fuente de alimentación y la supervivencia del sistema, y mantener el rendimiento incluso en los entornos de aplicación más duros.

¿Por qué usar el PMBus?

Hay mucho que se puede hacer con el protocolo de comunicación de gestión de energía de estándar abierto PMBus para la gestión de energía digital. Aumenta el uso y mejora el rendimiento y la fiabilidad de las fuentes de alimentación. Por ejemplo, permite la medición y el control de varios parámetros de la fuente de alimentación, como el voltaje y la corriente de cada salida, la temperatura de cada etapa de salida, el buen estado de la energía de cada etapa de salida y el estado de la habilitación de salida de cada módulo, sin ningún tipo de instrumentación externa (Figura 1).

Gráfico de las funciones de comunicación del PMBus utilizadas para monitorear/modificar los parámetrosFigura 1: Funciones de comunicación del PMBus utilizadas para monitorear/cambiar parámetros. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Los usuarios también pueden predecir cuándo ocurrirá la falla con las continuas mediciones del PMBus antes de una falla catastrófica, lo cual es importante para las aplicaciones en telecomunicaciones 5G, fábricas inteligentes, centros de datos, ubicaciones remotas/de difícil acceso, y más.

Características de la fuente de alimentación TDK-Lambda PFH500

La serie PFH500F tiene una huella de 4 x 2.4 pulgadas y viene en un formato de ladrillo ¾ (Figura 2). Es capaz de entregar 500 vatios (W) de potencia con un voltaje de salida regulado de 28 voltios que puede ser ajustado de 22.4 voltios a 33.6 voltios (±20%).

Imagen de la serie PFH500F de convertidores de potencia CA-CC de TDK-LambdaFigura 2: La serie PFH500F de convertidores de potencia CA-CC viene en un factor de forma de ladrillo ¾ y puede entregar 500 W con una salida regulada de 28 voltios. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

El diseño utiliza solo una placa de PC de varias capas sin necesidad de un sustrato metálico aislado, lo que reduce el ruido del modo común y elimina los pines de interconexión, aumentando así la fiabilidad. La arquitectura de potencia utiliza una técnica de corrección del factor de potencia (PFC) sin puente y rectificación sincrónica. Los dispositivos de potencia de nitruro de galio (GaN) se utilizan para reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia, lo que permite alcanzar entre el 90% y el 92%, con una densidad de potencia de 100 W/in3. El suministro es adecuado para su uso en todo el mundo con una entrada de 85 a 265 VCA, 47 a 63 Hertz (Hz).

Conexión básica

La disposición esquemática básica con componentes externos que incluyen un filtro EMI de entrada externa se muestra en la figura 3.

Diagrama del módulo de alimentación de la serie PFH500F de TDK-LambdaFigura 3: Las conexiones externas básicas para el módulo de alimentación del PFH500F incluyen un filtro EMI externo en el lado izquierdo. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Este suministro es una buena opción para entornos difíciles tanto en las fábricas tradicionales como en las inteligentes, como se muestra en la figura 4.

Tabla de requisitos de pruebas rigurosas del módulo de potencia PFH500F de TDK-LambdaFigura 4: El módulo de alimentación PFH500F cumple con los rigurosos requisitos de las pruebas para entornos difíciles. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Los resultados de las pruebas muestran las notas de aprobación de los exámenes rigurosos, especialmente en lo que respecta a la descarga electrostática (ESD), la interferencia de radiofrecuencia radiada (RFI) y la inmunidad a la interferencia electromagnética.

La capacidad paralela de reparto de la caída

La caída o caída de voltaje extra en una fuente de alimentación es proporcional a la carga consumida. Cuando dos fuentes de alimentación deben conectarse juntas para producir más energía o para compartir la carga, entonces se debe utilizar un modelo con capacidad paralela como el PFH500 de TDK-Lambda. La caída de voltaje extra es proporcional a la carga consumida, de modo que cuando dos o más fuentes de alimentación están conectadas en paralelo la carga de salida se comparte entre las fuentes de alimentación. Si una de las fuentes de alimentación en paralelo trata de proporcionar más corriente, su salida caerá ligeramente, y las otras fuentes se equilibrarán (Figura 5).

Gráfico de la opción de participación actual del Modo DroopFigura 5: La opción de compartir la corriente del modo de caída en el PFH500 le permite trabajar en paralelo con otros suministros para compartir la carga. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Para un rendimiento óptimo, todas las fuentes de alimentación deben tener sus salidas ajustadas al mismo voltaje. La regulación de carga del PFH500 (versión de 28 voltios) (sin caída) es de 28 mV, o 0.1%, con VIN = 115/230 VCA.

Capacidad de enfriamiento por conducción de la placa base

El enfriamiento por conducción se define como la transferencia de calor de un área caliente a otra más fría por contacto directo. Por ejemplo, el PFH500 tiene una superficie plana (placa base) que está diseñada para montarse directamente en un disipador de calor externo o una placa de frío que conducirá el calor lejos del dispositivo de potencia por contacto directo, enfriándolo así (Figura 6).

El diagrama de TDK-Lambda PFH500 muestra el enfriamiento por conducción.Figura 6: Un módulo de potencia, como el PFH500, se muestra siendo enfriado por conducción con un disipador térmico (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Para más detalles sobre el enfriamiento ver "Técnicas para enfriar la energía y otros dispositivos electrónicos".

Otros beneficios para los diseñadores

El PFH500 ofrece otros beneficios para los diseñadores, incluyendo los siguientes:

  • La caja de metal recubierta con una maceta ayuda a reducir las emisiones radiadas y mejora la capacidad de choque y vibración.
  • Aislamiento digital interno (el opto-aislamiento no es tan fiable)
  • El filtro EMI de entrada con protección contra sobretensiones evita errores/interrupciones en el suministro de energía.
  • El relé y el circuito de entrada internos protegen la fuente de alimentación de los daños.
  • La capacidad de detección remota permite el control preciso de un voltaje a través de una distancia de cable a una carga remota.
  • La protección interna contra sobretemperatura y sobrecorriente asegura la fiabilidad.
  • La capacidad de monitorización del VBUS que protege contra sobre/baja tensión asegura una operación ininterrumpida.
  • Programación en circuito; por ejemplo, por un sistema inteligente
  • Las calificaciones de las normas de seguridad aumentan la fiabilidad.

Empieza con las placas de evaluación.

Las placas de prueba de evaluación son una ventaja, ya que permitirán un tiempo de comercialización más rápido. Los diseñadores podrán obtener archivos Gerber para estas placas de evaluación de TDK-Lambda para ayudar a optimizar la disposición de sus placas en un sistema, y que pueden ser pegados en la disposición de diseño más grande de la arquitectura de un sistema.

Hay tres placas de prueba de evaluación PFH05W:

Cada uno de ellos ayuda a simplificar la evaluación inicial del módulo de potencia para que el tiempo de comercialización sea más rápido, ya que contienen todos los componentes externos necesarios para las pruebas. Nota: puede ser necesario un flujo de aire externo para enfriar el disipador de calor del módulo cuando se opera con una carga. El disipador térmico HS00110 de TDK-Lambda se puede pedir en cantidades de producción (Figura 7).

Imagen de las placas de evaluación de las series PFH05W y PFH500F de TDK-LambdaFigura 7: Las placas de evaluación PFH05W PFH500F permitirán un tiempo de comercialización más rápido y demostrarán el rendimiento para las necesidades particulares de un diseñador. Se puede añadir refrigeración externa, como el disipador térmico HS00110 (mostrado). (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Estas tres placas de evaluación necesitarán una fuente de voltaje de CA monofásica y ajustable (consulte las hojas de datos individuales de cada tarjeta para determinar el tamaño adecuado de esta fuente de entrada), un multímetro de 0 a 500 voltios de CC, una carga de salida adecuada (consulte las hojas de datos individuales para conocer los tamaños de carga adecuados) y un ventilador para proporcionar flujo de aire al disipador térmico de la tarjeta.

Nota para los usuarios: Asegúrese de que todos los cables de entrada y salida estén desenergizados antes de realizar las conexiones eléctricas de las tarjetas de prueba de evaluación.

Aplicaciones alternativas

Esta serie de suministros de entrada de CA a 28 voltios de salida también puede utilizarse en otros entornos difíciles, como una fuente de alimentación comercial para plataformas de vehículos terrestres militares, o sistemas de montaje en bastidor como el VMEbus (Versa Module Europa o Versa Module Eurocard bus). Las fuentes de alimentación de la bomba de iones, que se utilizan para cosas como los microscopios electrónicos, también podrían beneficiarse de la serie PFH500F.

Conclusión

La serie PFH500F-28 es una excelente elección para entornos difíciles debido a sus características fundamentales, entre las que se incluyen una alta inmunidad a EMI, RFI y otros ruidos, así como a los golpes, las vibraciones y las temperaturas extremas que no serían propicias para utilizar una fuente de alimentación estándar. Además, su alta densidad de potencia, su diseño modular y su pequeño tamaño permiten una implementación de fuente de alimentación compacta en una aplicación general más grande.

La inclusión del PMBus permite el autodiagnóstico, el monitoreo remoto y la comunicación de datos necesarios para la integración exitosa de la fuente de energía en una aplicación de análisis predictivo y mantenimiento del IIoT.

Recursos adicionales

  1. "Técnicas de refrigeración y otros dispositivos electrónicos"

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Acerca de este autor

Steve Taranovich

Steve Taranovich es un escritor técnico independiente con 47 años de experiencia en la industria electrónica. Recibió un MSEE de la Polytechnic University, Brooklyn, New York, y BEEE de New York University, Bronx, New York. También fue presidente del Cominté de actividades educacionales de IEEE Long Island. Actualmente es miembro de Eta Kappa Nu y miembro séniro de IEEE Life. Se especializa en gestión de energía, RF y analógico y cuenta con formación diversa en procesamiento integrado relacionado con el diseño analógico de los años cuando trabajó en Burr-Brown y Texas Instruments.

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