Simplifique el diseño de fuentes de alimentación mediante una matriz de fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) fácil de usar.

Los diseñadores de productos o dispositivos electrónicos necesitarán inevitablemente una fuente de alimentación adecuada. Con dispositivos de potencia que oscilan entre decenas de vatios y varios kilovatios (kW), puede resultar complicado encontrar los componentes adecuados. Con miles de opciones, rectificadores, controladores de potencia, interruptores y controladores de compuerta, el problema puede ralentizar el proceso de diseño, añadir costos y comprometer los plazos.

Una forma de simplificar las cosas es empezar con la línea de dispositivos de alimentación inteligentes de un proveedor de confianza y utilizar sus herramientas en línea para ayudarlo a tomar las decisiones óptimas. Por ejemplo, una matriz de componentes de fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) organizada por aplicaciones, topología, dispositivos y características críticas puede acelerar el proceso de selección y diseño.

En este artículo, se analiza brevemente el diseño de una fuente de alimentación conmutada (SMPS). A continuación, se presenta una matriz de componentes SMPS de onsemi que vincula rectificadores de puente, controladores, controladores de compuerta e interruptores de potencia compatibles con cada nivel de potencia de aplicación. Explica las definiciones críticas de los productos y ofrece ejemplos de cómo utilizar la matriz para simplificar la selección de componentes.

Diseño de SMPS

Considere los elementos clave de una fuente de alimentación conmutada (SMPS) de línea de CA básica destinada a una aplicación USB Power Delivery (PD) con un nivel de potencia de 100 W (Figura 1). El lado de línea o primario de la fuente de alimentación suele necesitar un rectificador, un controlador de corrección de factor de potencia (PFC), un controlador de potencia, un optoacoplador, controladores de compuerta e interruptores de potencia. El lado secundario suele necesitar un controlador rectificador síncrono (SRC), interruptores rectificadores síncronos (SR), un controlador USB PD y un optoacoplador.

Figura 1: Se muestran los principales componentes de una fuente de alimentación conmutada (SMPS) típica de 100 W. (Fuente de la imagen: onsemi, modificada por el autor)

Los componentes de este diseño coinciden con el nivel de potencia. Los diseñadores deben elegir las topologías del lado primario para la corrección de factor de potencia (PFC) y el control de potencia, y las topologías del lado secundario para el rectificador y el regulador. A partir de esas decisiones, pueden seleccionar los componentes individuales.

Aquí es donde la matriz SMPS de onsemi ayuda a seleccionar los componentes de la fuente de alimentación (Figura 2).

Figura 2: Se muestra la matriz interactiva SMPS que ayuda a los diseñadores a seleccionar los componentes activos en función de la clase de potencia de las fuentes de alimentación y las topologías preferidas. (Fuente de la imagen: onsemi)

La matriz SMPS basa las opciones de diseño en el nivel de potencia y la densidad, que aparecen en las dos primeras columnas de la izquierda. Los niveles de potencia más altos están en la parte superior y van disminuyendo hacia la fila inferior. Se incluyen niveles de potencia desde 5 W hasta más de 3 kW. Como la densidad de potencia es una medida de la potencia por unidad de volumen, la densidad de potencia ultraalta da lugar a una fuente de alimentación más pequeña que un paquete de alta densidad. Una alternativa a estas dos opciones de envasado es el envase de bajo perfil. Matrix ajusta el nivel de voltaje de la fuente de alimentación en función del nivel de potencia.

Cada nivel básico de potencia de la matriz tiene de una a tres filas de componentes recomendados correspondientes a las opciones de densidad de potencia, que proporcionan componentes seleccionados para las topologías de los lados primario y secundario. Las entradas marcadas con N/A indican que la entrada no se aplica a ese nivel de potencia y densidad en particular.

La columna del rectificador enumera los componentes del rectificador de puente sugeridos para el nivel de potencia correspondiente. En algunos casos, la entrada no tiene puente. Esto ocurre cuando no se necesita un puente rectificador porque otro componente, como un tótem PFC, ha suplantado su función. Las entradas "pata rápida" y "pata lenta" de los campos PFC identifican rápidamente los tótems PFC. Estos PFC tienen interruptores de pata lenta que funcionan a la frecuencia de línea, mientras que los interruptores de pata rápida funcionan a una frecuencia de conmutación más alta y típica.

La matriz sugiere una topología primaria basada en el nivel de potencia deseado. Recomienda dispositivos controladores con cualquiera de las cuatro topologías habituales: flyback (conmutador), flyback de pinza activa (ACF), flyback cuasirresonante (QR) o inductor-inductor-capacitor (LLC).

El convertidor flyback es una topología de fuente de alimentación aislada sin conexión eléctrica directa entre los lados primario y secundario. Cuando el dispositivo del interruptor de potencia se apaga, el inductor acoplado transfiere energía del primario al secundario. El control de la tensión del convertidor se mantiene mediante la modulación por ancho de pulsos (PWM) a una frecuencia fija.

El diseño ACF utiliza el concepto de flyback de un inductor acoplado para transferir energía del primario al secundario. Además, utiliza un dispositivo activo para descargar o sujetar la inductancia de fuga del inductor acoplado a un condensador para minimizar la tensión en el interruptor MOSFET de potencia.

La topología flyback QR utiliza la inductancia y la capacitancia parásitas del circuito para obtener una respuesta casi resonante y encender el interruptor de potencia con una tensión de drenaje mínima. Esta "conmutación suave" reduce las pérdidas de conmutación del convertidor.La frecuencia de conmutación resultante no es fija y varía con la carga.

El convertidor LLC utiliza una respuesta totalmente resonante para garantizar una verdadera conmutación de voltaje de drenaje cero. Reduce las pérdidas de conmutación incluso en vacío y es idóneo para niveles de potencia más elevados.

Los controladores recomendados se agrupan en torno a rangos de potencia específicos, utilizando el conmutador para los niveles de potencia más bajos, el QR y el ACF para suministros de rango medio, y los convertidores LLC para niveles de potencia más altos.

La matriz incluye diagramas de bloques SMPS detallados, que ilustran las conexiones entre los componentes para once diseños específicos, cubriendo cinco niveles de alimentación y densidades diferentes disponibles dentro de lengüetas etiquetadas (Figura 3).

Figura 3: La matriz incluye diagramas de bloques SMPS detallados para once diseños específicos, que abarcan cinco niveles de alimentación y densidades diferentes disponibles dentro de lengüetas etiquetadas. (Fuente de la imagen: onsemi)

Una vez seleccionados el nivel de potencia y la densidad, los componentes pueden elegirse entre las filas correspondientes al nivel de potencia y las columnas específicas de la topología de la matriz. Al hacer clic en los números de componentes hipervinculados, se abre una vista ampliada de la matriz en la que los números resaltados están vinculados a los números de pieza de DigiKey (Figura 4).

Figura 4: Al hacer clic en cualquier número de pieza con hipervínculo en la matriz original, se abre una matriz secundaria ampliada con enlaces a entradas de piezas DigiKey. (Fuente de la imagen: onsemi)

Cualquiera de los componentes de la fila y topología seleccionadas son compatibles.

Utilización de la matriz

Un excelente ejemplo de nivel de potencia medio para fines ilustrativos es una Fuente de alimentación conmutada (SMPS) de 100 W para USB PD, similar a la unidad mostrada anteriormente en el diagrama de bloques de la Figura 1. Si observamos la matriz, la fila de niveles de potencia de 70 W a 200 W cubre la alimentación necesaria de 100 W. Al seleccionar "Alta" en la Columna de densidad de potencia, aparece la Matriz ampliada con enlaces a los componentes necesarios (Figura 5).

Figura 5: Los recuadros verdes indican la selección de componentes para una Fuente de alimentación conmutada (SMPS) de alta densidad de 100 A en la Matriz ampliada. Los números de pieza azules están vinculados a una página de filtro de producto DigiKey asociada. (Fuente de la imagen: onsemi)

La normativa internacional, especialmente la de la Unión Europea, exige el uso de Corrección de factor de potencia (PFC) a partir de 75 W. El controlador de Corrección de factor de potencia (PFC) recomendado aquí es el NCP1623 de onsemi. El NCP1623 es un controlador PFC elevador de factor de forma pequeño que admite hasta 300 W para adaptadores de alimentación de carga rápida y fuentes de alimentación modulares para ordenadores en los que la rentabilidad, la fiabilidad, el alto factor de potencia y la eficiencia son requisitos esenciales. Requiere un rectificador de puente externo y se recomienda el GBU6M o el GBU6K de onsemi. El interruptor de potencia PFC compatible es el onsemi NTP125N60S5H, un MOSFET rápido con una tensión de drenaje a fuente (V_DSS) máxima de 600 V, una corriente de drenaje (I_D) máxima de 22 amperios (A) y una resistencia de drenaje a fuente (R_DS(ON)) de 125 miliohmios (mΩ).

El controlador del lado primario recomendado es el controlador flyback QR de alta frecuencia NCP1343 de onsemi Es un controlador ideal para adaptadores CA/CC y fuentes de alimentación de armazón abierto, ya que incorpora todos los componentes necesarios que requieren los diseños de SMPS modernos. Está emparejado con el interruptor de potencia NVD260N65S3 con una tensión nominal de 650 V_DSS, 12 A I_D y un R_DS(ON) de 260 mΩ.

El NPC4307 de onsemi es un controlador de rectificación sincrónica en el lado secundario de la fuente de alimentación. Garantiza una eficiente rectificación sincrónica cuando se utiliza con el interruptor MOSFET NTMFSC010N08M7 de onsemi con una capacidad nominal de 80 V_DSS, 61 A I_D y un R_DS(ON ) de 10 mΩ.

La última etapa importante del diseño es la selección del controlador USB PD que puede gestionar el optoacoplador en el lado secundario de un adaptador CA/CC o un regulador de potencia de puerto CC/CC. La Matriz sugiere el controlador de protocolo FUSB15101 PD3.0 de onsemi (con soporte de fuente de alimentación programable USB (PPS)) en la salida de alimentación utilizando un MOSFET de canal N NTTFS4C02NTAG de onsemi con una tensión nominal de 30 V_DSS y 164 A I_D. Su R_DS(ON) es de 2.25 mΩ a 10 V y de 3.1 mΩ a 4.5 V.

La fuente de alimentación resultante, disponible como placa de evaluación NCP1343PD100WGEVB de onsemi (figura 6), tiene un rango de tensión de salida de 3.1 V a 21 V. Su eficiencia media es del 92% a entradas de 115 V o 230 V_CA. Cabe en un envase de 60 x 60 x 19 mm y tiene una densidad de potencia de 24 W por pulgada cúbica (W/in³).

Figura 6: Se muestran las vistas superior (izquierda) e inferior (derecha) del diseño de la fuente de alimentación conmutada (SMPS) de referencia USB PD de 100 W basado en componentes seleccionados mediante la matriz SMPS. (Fuente de la imagen: onsemi)

Conclusión:

La matriz SMPS de onsemi proporciona una ruta fácil de usar para la selección de componentes de fuente de alimentación, asegurando que la selección de componentes críticos compatibles coincide con el nivel de potencia del diseño. Reduce el tiempo necesario para encontrar piezas y proporciona enlaces instantáneos a hojas de datos y presupuestos.