Cómo garantizar resultados óptimos al utilizar fuentes de alimentación de CA/CC de bastidor abierto

Las fuentes de alimentación CA/CC -a veces denominadas "off-line"- se utilizan ampliamente en aplicaciones de iluminación, pantallas, tecnologías de la información e industriales. Son un componente estándar de casi todos los sistemas electrónicos, a excepción de los que se alimentan solo con baterías.

Las versiones de estos suministros se entregan como unidades de marco abierto para ser integradas en los sistemas de los OEM como placas de PC básicas y no cerradas, y dependen del empaquetado del producto final para el cerramiento general requerido. Estas fuentes funcionan en una amplia gama de tensiones de línea de CA y se ofrecen en muchas combinaciones de tensión, corriente y potencia de salida.

Aunque son funcionalmente completos y relativamente fáciles de usar, hay algunas consideraciones de diseño que los ingenieros deben tener en cuenta al utilizarlos. Entre ellos se incluyen:

• Seguridad eléctrica/normativa
• Gestión térmica y reducción de potencia
• Compatibilidad electromagnética

Este artículo examina estas consideraciones en el contexto de las fuentes de marco abierto de XP Power y su familia LCE80 de fuentes de 80 vatios (W) refrigeradas por convección.

Fuentes de alimentación: ¿Fabricar o comprar?

Históricamente, una de las primeras preguntas asociadas a la necesidad de elegir uno de estos suministros era "¿debemos fabricar o comprar?" La razón es que el diseño y la construcción de una o varias unidades de un suministro básico y funcional de <100 W no es difícil, al menos en principio.

Pero hacerlo en la práctica es una situación mucho más compleja y multifacética, que requiere un diseño y una construcción que:

• Funcione según las especificaciones en todas las condiciones de funcionamiento, incluyendo la línea de CA alta/baja, el rendimiento transitorio y el rango de temperatura
• Dispone de las funciones de protección necesarias, como la protección contra sobretensiones, el bloqueo por baja tensión y los cortes térmicos
• Conozca y cumpla las numerosas y complejas normativas mundiales sobre seguridad, eficiencia y potencia de reposo
• Responde a los distintos requisitos de choque y vibración
• Incluye un plan para probar, verificar y certificar el rendimiento

La realidad es que incluso un equipo de ingenieros cualificados con experiencia en este campo tiene que hacer un diseño exitoso en un tiempo razonable y con unos costos iniciales aceptables de ingeniería no recurrente (NRE), lista de materiales (BOM), configuración de la producción y pruebas y calificación.

Incluso cuando los requisitos no pueden satisfacerse con una unidad estándar, la mayoría de los proveedores de fuentes de alimentación de CA/CC ofrecen servicios de personalización en los que modifican una fuente estándar para satisfacer requisitos únicos, sin dejar de incorporar las numerosas exigencias técnicas y normativas.

Comenzar con la implementación de un marco abierto

Un suministro de marco abierto es la designación de la industria para una construcción de solo placa que funciona como un componente único y completo, como los de la familia LCE80 (Figura 1). Se instala en la aplicación del equipo final, y ese producto final proporciona la caja de protección física y eléctrica para el suministro. Los suministros de marco abierto ofrecen flexibilidad de instalación, un rendimiento excelente, cumplen las normas y los mandatos reglamentarios, y son soluciones rentables que permiten al equipo de diseño centrarse más en el resto del diseño del sistema y su diferenciación.

Figura 1: La serie LCE80 de fuentes de alimentación de marco abierto de 80 vatios tiene todos los componentes necesarios montados en una sola placa de PC. (Fuente de la imagen: XP Power)

Una fuente de alimentación de marco abierto no es lo mismo que otra fuente de CA/CC muy utilizada, llamada de canal en U, en la que la placa de circuito de la fuente de alimentación se instala en un chasis en forma de U que suele ser de aluminio (Figura 2). Un buen ejemplo es la fuente VCS100US12 de 100 vatios de XP Power. El chasis también ofrece múltiples opciones para que el fabricante del equipo instale el suministro en el conjunto final, y a menudo incluye una cubierta extraíble que proporciona protección eléctrica y física, y está perforada para el flujo de aire.

Figura 2: La fuente de alimentación de 100 vatios VCS100US12 en U incluye una cubierta protectora extraíble. (Fuente de la imagen: XP Power)

Aunque el suministro de marco abierto está completo y listo para su uso, todavía hay que tener en cuenta aspectos relacionados con la seguridad eléctrica/reglamentaria, el rendimiento y los límites térmicos, y la instalación y la compatibilidad electromagnética (CEM).

Seguridad eléctrica/cumplimiento de la normativa: Los usuarios de suministros de marco abierto deben conocer los requisitos de espacio libre y fuga. El espacio libre es la distancia más corta en el aire entre dos partes conductoras, mientras que la distancia de fuga es la distancia más corta a lo largo de la superficie de un material aislante sólido entre dos partes conductoras (Figura 3). Los mínimos requeridos para estos dos factores están en función de la tensión de alimentación, así como de las condiciones de funcionamiento, tales como la previsión de contaminación que induce el polvo, la humedad y otras partículas en el aire que rodea, o en la superficie entre los nodos de alta tensión.

Figura 3: Los diseños de placas de circuitos deben cumplir con las dimensiones mínimas de holgura, la distancia más corta en el aire entre dos partes conductoras, y de fuga, la distancia más corta a lo largo de la superficie de un material aislante sólido entre dos partes conductoras. (Fuente de la imagen: Altium Limited)

Los suministros también se dividen en varias clases IEC, según la aplicación final:

• Clase I: La protección del usuario frente a las descargas eléctricas se consigue mediante una combinación de aislamiento y una toma de tierra de protección
• Clase II: La protección del usuario contra las descargas eléctricas se consigue mediante dos niveles de aislamiento (doble o reforzado)

Un sistema de clase I requiere tres o cuatro milímetros (mm) entre cualquier parte metálica conectada a tierra y cualquier parte primaria de la fuente de alimentación, dependiendo de si la aplicación final es industrial o médica. Esto puede requerir aisladores adicionales alrededor del conjunto de la fuente de alimentación de bastidor abierto; las fuentes de la Clase II pueden necesitar mayores distancias de fuga y separación.

Cuando se utiliza una alimentación de clase I, la conexión de seguridad a tierra de la alimentación es parte integrante del sistema eléctrico y debe estar firmemente conectada a la tierra de seguridad del equipo. Además, es probable que haya más de una conexión a tierra necesaria en el conjunto, lo que afecta a las emisiones eléctricas y al rendimiento de la susceptibilidad (que se analiza más adelante).

Tanto las fuentes de alimentación de marco abierto como las de canal en U incluyen un fusible integrado; para las aplicaciones de equipos médicos, se necesitan dos fusibles.

Los fusibles suelen estar instalados de forma permanente en la fuente de alimentación y no están diseñados para ser sustituidos sobre el terreno, ya que la única razón para que un fusible se active (se abra) es un fallo de la fuente, que debe ser reparado o sustituido antes de volver a utilizar el sistema. También puede haber requisitos adicionales para los fusibles de todo el sistema para la protección contra problemas con los cables de interconexión y las conexiones, así como otros circuitos que no están relacionados con el suministro.

Gestión térmica y reducción de potencia: El calor es una preocupación bien conocida en todos los sistemas electrónicos, ya que es la causa principal de la fatiga de los componentes y de los fallos inducidos por la tensión, incluidas las fracturas debidas a los ciclos térmicos. Independientemente de la tensión y la corriente nominal de la fuente, a los diseñadores les interesa sobre todo la potencia total en vatios que suministra la fuente.

Los proveedores suelen diseñar una familia de fuentes para una potencia máxima específica y luego establecen los pares de tensión y corriente para que coincidan. Por ejemplo, todas las unidades de la serie XP Power LCE80 tienen una potencia nominal de 80 W, con la unidad de menor voltaje, la LCE80PS05, que suministra 5 voltios a un máximo de 12 A, mientras que la de mayor voltaje, la LCE80PS54, proporciona 54 voltios a un máximo de 1,48 A. En medio hay otras ocho opciones de salida de CC de 12 voltios, 15 voltios, 20 voltios, 24 voltios, 30 voltios, 36 voltios, 42 voltios y 48 voltios.

Las fuentes funcionan en un rango de tensión de entrada de 90 a 305 voltios de CA, con una potencia de carga completa disponible incluso en una línea baja de 90 voltios. La eficiencia es muy cercana al 90%, lo que significa que solo 8 W son disipados por la fuente; los 72 W restantes están disponibles para las necesidades del sistema. Todos los miembros de la familia miden 101.6 mm × 50.8 mm × 27.9 mm. El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 °C a +70 °C, con plena potencia disponible desde -30 °C (-40 °C en la línea de CA alta) hasta +50 °C. El tiempo medio entre fallos (MTBF) calculado es de 300 kilohoras, según MIL-HDBK-217F.

Todas las unidades de la serie cumplen las numerosas normas reglamentarias pertinentes, entre las que se incluyen (pero no se limitan a) EN55032 Clase B para emisiones conducidas y radiadas; EN55035, EN61547 y EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 para inmunidad EMC; EN61000-3-2 corriente armónica Clase C para cargas de 50 W y superiores. Las aprobaciones de seguridad incluyen CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (iluminación) y UL8750 (iluminación).

La eficiencia de cualquier suministro es fundamental, ya que determina cómo se gestiona el calor generado. Las fuentes de alimentación de bastidor abierto pueden refrigerarse mediante convección pasiva, aire forzado activo (ventilador) o una combinación de ambos. Muchos diseñadores prefieren elegir suministros que estén especificados para funcionar según sus valores nominales utilizando únicamente la refrigeración pasiva por aire y sin utilizar un ventilador, por una larga lista de razones, entre ellas:

• Ahorra el costo directo de la lista de materiales y reduce el tiempo de montaje del producto.
• Elimina una fuente potencial de fallos -el ventilador- que tendría un efecto dominó al inducir un sobrecalentamiento y acortar en gran medida la vida útil de la fuente.
• Evita los problemas asociados a la gestión de la velocidad y el funcionamiento de los ventiladores, normalmente basados en la detección de la temperatura ambiente.
• Evidentemente, es más silencioso, un factor importante en muchas situaciones.
• Evita la posibilidad de que el usuario final provoque involuntariamente problemas de sobrecalentamiento al bloquear la entrada o salida del ventilador.

En resumen, la eliminación de la necesidad de un ventilador mejora significativamente la fiabilidad del sistema global, simplifica el diseño mecánico y reduce el coste. Para ir sin ventilador, es necesario que los diseñadores miren la hoja de datos de la fuente de alimentación para ver si el aire forzado es necesario para cumplir con las especificaciones indicadas, o si la convección pasiva sola será suficiente.

Este examen incluye la comprobación de la temperatura máxima para la que el proveedor garantiza el rendimiento de todas las especificaciones, así como la curva de reducción de potencia que define cuánto disminuye la potencia de salida más allá de un umbral de temperatura. Una fuente bien diseñada mantendrá la potencia nominal a 50 ⁰C de temperatura ambiente, así como hasta 90 voltios de entrada de CA. Por el contrario, algunos productos promocionan una potencia nominal "de cabecera", pero se reducen rápidamente hasta un 20% en la línea de CA baja, y reducen la potencia disponible a partir de temperaturas ambiente tan bajas como 40 ⁰C. Para la serie LCE80, se garantiza el pleno rendimiento hasta los 50 ⁰C, reduciéndose linealmente al 50% hasta una temperatura máxima de 70 ⁰C (Figura 4).

Figura 4: Esta curva de reducción de potencia para la serie LCE80 muestra que estas fuentes mantienen su rendimiento nominal de 80 W hasta los 50 ⁰C, y luego disminuyen un 50% hasta los 40 W a una temperatura máxima de funcionamiento de 70 ⁰C. (Fuente de la imagen: XP Power)

La posición de montaje, la orientación, el espacio circundante disponible, la carga aplicada y las piezas circundantes, junto con la posible refrigeración por aire, son exclusivos de cada aplicación. Es importante modelar y medir la temperatura en la alimentación del marco abierto, y no en otro lugar del recinto del sistema, ya que puede haber variaciones amplias y muy localizadas

Un factor crítico para determinar la vida útil estimada de un suministro es una curva de vida útil basada en la temperatura de los condensadores electrolíticos clave, que son las únicas piezas con un mecanismo de desgaste. Todos los cálculos de la vida útil de los condensadores electrolíticos se basan en la ecuación de Arrhenius, según la cual la velocidad de reacción se duplica -y, por tanto, la vida útil se reduce a la mitad- por cada diez grados centígrados de aumento de la temperatura (Figura 5). Una buena indicación de la vida útil puede determinarse mediante la medición de la temperatura de la caja del componente y la aplicación de la ecuación de Arrhenius a la temperatura especificada y la vida útil del diseño.

Figura 5: Las curvas de reducción térmica de dos condensadores electrolíticos típicos muestran su reducción a la mitad de la vida útil por cada 10 ⁰C de aumento de la temperatura, según la ecuación de Arrhenius (derecha). (Fuente de la imagen: XP Power)

Problemas de compatibilidad electromagnética: Las fuentes de alimentación de bastidor abierto suelen requerir la conexión de dos y a veces tres puntos de montaje a la toma de tierra para cumplir las normas. En un sistema de Clase I, una de estas conexiones es necesaria para la tierra de seguridad y se encuentra en el lado de entrada del conjunto. Esta conexión también conectará los condensadores de filtro de modo común línea-tierra y neutro-tierra, también conocidos como condensadores Y (Figura 6).

Figura 6: Los condensadores Y funcionan como filtro de modo común y se utilizan en el lado de entrada de la fuente de alimentación, conectando la línea y el neutro a tierra. (Fuente de la imagen: www.blogranya.blogspot.com)

Estos condensadores trabajan con los inductores de modo común de la fuente de alimentación para atenuar el ruido asociado a los cambios rápidos de tensión en la etapa de alimentación de la fuente. Estos condensadores de modo común de salida son fundamentales para el rendimiento EMC de la fuente de alimentación y deben conectarse para obtener un rendimiento EMC óptimo.

Es necesario conectar estos puntos entre sí para garantizar el cumplimiento de la compatibilidad electromagnética con los suministros de marco abierto. Los puntos que requieren conexión a tierra o juntos suelen estar identificados en la hoja de datos de la fuente de alimentación, y la mejor manera de conectarlos es montando la fuente en una placa metálica conectada a tierra (Figura 7).

Figura 7: Los orificios de montaje marcados en el dibujo con el símbolo de tierra deben estar conectados a la tierra de seguridad en las aplicaciones de Clase I, o conectados juntos en las aplicaciones de Clase II (Fuente de la imagen: XP Power)

Esta placa no necesita estar conectada a nada más, ya que su función es proporcionar un camino de baja impedancia con elementos parásitos bajos para las conexiones del condensador de filtro a tierra. Los orificios de montaje marcados con el símbolo de tierra deben estar conectados a la tierra de seguridad en las aplicaciones de clase I, o conectados juntos en las aplicaciones de clase II.

Como pauta general, todos los cables de entrada y salida del suministro deben mantenerse separados y evitar la proximidad del conjunto abierto. Esto minimiza los problemas potenciales en los que la radiación electromagnética generada dentro de la fuente de alimentación induce emisiones conducidas y radiadas en el equipo final.

Conclusión:

Los diseñadores pueden acortar y mejorar su proceso de diseño concentrándose en una única familia de fuentes de alimentación de bastidor abierto con diferentes valores de tensión/corriente, manteniendo todos los demás factores inalterados. Esto simplifica el montaje, la conexión a tierra, la compatibilidad electromagnética y el análisis térmico, las consideraciones de reducción de potencia, los cálculos de rendimiento, las conexiones físicas y el cableado.