Cómo combinar las tensiones altas y bajas en un único diseño

Aunque suele hacerse mucho énfasis en voltajes inferiores para reducir el consumo de energía, los diseñadores a menudo necesitan incorporar baja y alta tensión en el mismo diseño. Este presenta tres retos: desarrollar el riel de mayor tensión CC, proporcionar funciones de amplificador analógico/controlador de mayor tensión y responder a las funciones de seguridad relevantes para los mandatos regulatorios y los sistemas de tensión superior.

Hay numerosas ventajas de la baja tensión, con operación menor a 5 voltios, incluyendo un menor consumo de energía, menos pérdidas debido a la generación de calor, mayor densidad funcional de CI, tiempo de ejecución prolongado y una vida útil más larga. Pero hay muchas aplicaciones que requieren mayores voltajes, llegando a los cientos de voltios o más. Las aplicaciones como los motores piezoeléctricos, los dispositivos hápticos, los controladores de cabezales de impresión, los sensores especializados y los instrumentos científicos necesitan mayores voltajes, aunque a menudo en corrientes modestas, hasta varios cientos de miliamperios (mA).

El resultado es un sistema que mezcla el diseño de circuitos de baja tensión con voltajes mucho mayores, colocando al diseñador en la posición de tener que gestionar los retos asociados.

En este artículo se combinan la teoría con ejemplos de solución práctica sobre cómo generar los rieles de tensión superior y proporcionar los controladores analógicos requeridos, antes de concluir con una discusión sobre el cumplimiento de los requisitos de seguridad y de reglamentación.

Proporcionar el riel de alta tensión

Para proporcionar el riel de alto voltaje de CC, los diseñadores pueden diseñar y desarrollar un suministro de alta tensión, o pueden comprar uno. En principio, el desarrollo de un suministro de alta tensión, especialmente para corrientes más bajas, no es difícil. Hay dos enfoques clásicos:

• Si sólo hay una fuente de CC de bajo voltaje disponible, los diseñadores pueden implementar un circuito basado en un impulso de modo regulador de conmutación CC/CC diseñado para este propósito.
• Si una línea de CA está disponible, entonces se puede utilizar uno o más circuitos de duplicación de voltaje (Figura 1).

Figura 1: Una circuito de duplicación de voltaje básico utiliza diodos y capacitores para transformar 120 V_{CA (RMS)} (el pico de tensión es de 170 V_CA) a CC en dos veces el voltaje pico. (Fuente de la imagen: Lewis Loflin, Bristol Watch)

Un duplicador básico transforma el valor pico de CA a un voltaje de CC del doble de ese valor. La cantidad de corriente que un duplicador puede ofrecer es una función del tamaño del capacitor, por lo tanto una mayor corriente requiere mayor capacitancia. Tenga en cuenta que estos capacitores deben ser especiales, las unidades de alta tensión como el estándar de menor tensión puede fallar e incluso puede explotar.

Si bien tanto el modo de impulso o el enfoque de duplicación de tensión pueden funcionar, ambos tienen los mismos problemas: ellos tratan con altos voltajes, por lo que es necesario que el diseñador tenga precaución con respecto al diseño, la formación de arcos, la seguridad de los usuarios y las normas reglamentarias.

Por estas razones, muchos ingenieros prefieren usar un suministro de alto voltaje disponible comercialmente, como la serie AG01P-5 EMCO de XP Power (Figura 2). Esta unidad de factor de forma pequeño montada en placa de PC tiene un perfil de 0,128 pulgadas (3,25 mm) y un volumen de menos de 0,100 pulgadas cúbicas (1639 milímetros cúbicos). La alimentación funciona a partir de una fuente de CC entre 0,7 voltios y 5 voltios, pero ofrece 100 voltios a 10 mA. Como una ventaja adicional, está aislada galvánicamente a 500 voltios, lo cual es un requisito en muchas situaciones para el correcto funcionamiento del sistema y la seguridad del usuario/equipo.

Figura 2: La pequeña serie de convertidor CC/CC AG01P-5 EMCO de XP Power toma una fuente de CC de entre 0,7 voltios y 5 voltios y produce 100 voltios CC a 10 mA; también incluye 500 voltios de aislamiento. (Fuente de la imagen: XP Power)

Para aplicaciones que necesitan un mayor nivel de voltaje o corriente, XP Power y otros proveedores ofrecen unidades básicas que pueden suministrar cientos e incluso miles de voltios a cientos de mA. Algunas operan desde un riel de CC mientras muchas reciben alimentación de CA. Mediante el uso de una fuente de alta tensión estándar, lista para usar de un proveedor fiable, se abordan eficazmente todas las prestaciones técnicas y cuestiones normativas con la alimentación. Por lo tanto, los diseñadores pueden centrarse en cómo enrutar la salida de alta tensión desde la fuente de alimentación a los circuitos que alimenta.

Por supuesto, existen casos en los que un suministro de alto voltaje diseñado por fabricantes de equipos originales (OEM) tiene sentido o es la única opción. Los ejemplos incluyen aplicaciones de gran volumen donde puede haber costos y beneficios en la BOM; donde una fuente de alimentación estándar no tiene la tensión/emparejamiento de corriente que se necesita; los sistemas que tienen limitaciones de espacio único o necesitan una alimentación con factores de forma inusual; o cuando el OEM ya tiene experiencia en el diseño e implementación de suministros de alta tensión. Sin embargo, para la mayoría de los ingenieros, responder a la combinación de requisitos técnicos, seleccionar y proveer componentes inusuales y administrar cuestiones normativas hace que el diseño de la alimentación de alta tensión sea una tarea desalentadora.

Proporcionar la transmisión analógica

Una vez que se ajusta la alimentación al riel de potencia, la siguiente decisión es cómo proporcionar la amplificación analógica de alta tensión requerida por la carga. Tenga en cuenta que hay situaciones que sólo necesitan una tensión de CC estática para responder a los requisitos de circuito de polarización y similares, pero no necesitan una señal dinámica, controlable, amplificada en alta tensión. Para estos casos, simplemente un suministro (quizás ajustable) es todo lo que se necesita.

El diseñador puede elegir tres maneras de implementar una función de amplificador operacional de alta tensión. El primer enfoque es utilizar un amplificador operacional de bajo voltaje estándar, pero con transistores de refuerzo añadido en la salida (Figura 3). Esto tiene el efecto de convertir la oscilación de salida de baja tensión a un rango amplio de mayor tensión. Aquí, el amplificador operacional de alta velocidad y precisión de Analog Devices LT1055 se utiliza como núcleo del amplificador con la salida regulada a un espacio de riel a riel bipolar de ±125 mediante tres pares de transistores PNP/NPN.

Figura 3: Un enfoque para producir salidas mayores de amplificadores operacionales es agregar transistores elevadores complementarios al dispositivo básico, como el LT1055, para tomar ventaja de las características de entrada del amplificador operacional. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este enfoque es viable y puede dar buenos resultados, pero requiere un número sustancial de componentes discretos activos y pasivos. Además, los tipos de transistores NPN/PNP seleccionados deben coincidir con las especificaciones similares o complementarias para ganancia, velocidad, y otros parámetros (según el parámetro específico) para asegurar la simetría en la operación bipolar. Por lo tanto, se requiere un cuidadoso modelo Spice o similar del diseño, incluido el impacto de la tolerancia del componente.

La segunda opción es utilizar un amplificador operacional que sea inherentemente diseñado para la operación de alta tensión. Aunque generalmente no son piezas monolíticas debido a limitaciones de proceso de semiconductores, están empaquetadas en un pequeño módulo y se "colocan" como un único componente. Estos dispositivos se utilizan a menudo en conjunción con un amplificador operacional menor de bajo voltaje que actúa principalmente como un búfer de señal.

Un ejemplo es el doble amplificador de potencia de alta tensión PB64 de Apex Microtechnology. Diseñado para proporcionar ganancia de tensión y de corriente con una pequeña señal, el amplificador operacional de propósito general (Figura 4), se aloja en un SIP de 12 pines aislado eléctricamente y mide 1,2 pulgadas (31 mm) x 0,8 pulgadas (20 mm) x 0,27 pulgadas (7 mm), no incluyendo los pines de orificio pasante. Las aplicaciones típicas incluyen instrumentos científicos, así como pruebas de semiconductores de potencia y matrices de LED/LCD,

Figura 4: Aunque no es un circuito integrado monolítico, un dispositivo como el amplificador de alta tensión PB64 de Apex Technology es tan fácil de incorporar como un dispositivo de tensión inferior. (Fuente de la imagen: Apex Microtechnology)

La tensión máxima de salida del PB64 es de ±75 voltios, por lo que no es tan alta como la solución discreta discutida anteriormente, pero tiene dos ventajas. Requiere sólo unos pocos componentes pasivos no críticos cuando se utiliza con un búfer, y puede ofrecer hasta ±2 A, que es una cantidad significativa de energía (Figura 5).

Figura 5: En la mayoría de las aplicaciones, el amplificador de alto voltaje PB64 se utiliza con un amplificador operacional estándar como un búfer de entrada, a fin de garantizar una escenario de señal y carga de entrada constante. (Fuente de la imagen: Apex Microtechnology)

Al examinar las hojas de datos, busque características de rendimiento estático y dinámico críticas como el área de operación segura (SOA) y la respuesta de impulsos (Figura 6). Desarrollar los datos y especificaciones equivalentes consume más tiempo y es más difícil con el anterior enfoque de diseño.

Figura 6: Respuesta de impulsos para el amplificador de alta tensión PB64. (Fuente de la imagen: Apex Microtechnology)

Las diversas aplicaciones de tensión superior necesitan diferentes combinaciones de voltaje y corriente, por supuesto. Para aplicaciones tales como transductores piezoeléctricos hápticos, la tensión necesaria puede ser mayor que la tensión que puede proporcionar la unidad Apex, pero las exigencias de corriente son mucho más bajas. Para estas situaciones, un CI construido sobre un proceso de alto voltaje pero con mucha menos capacidad de disipación de energía puede ser una opción viable.

Por ejemplo, debido a su convertidor elevador integrado, el controlador piezoeléctrico háptico de Texas Instruments DRV8662 puede oscilar hasta ±200 voltios en una carga de 100 nanoFaradios (nF) (y hará mayores cargas capacitivas pero con reducción de giro) desde una fuente de alimentación de 3,0 a 5,5 voltios (Figura 7).

Figura 7: Destinado principalmente a la aplicación de nicho de conducción para actuadores piezoeléctricos para diseños hápticos, el CI DRV8662 de Texas Instruments ofrece hasta ±200 V para una carga capacitiva desde una fuente de tensión de un solo dígito utilizando su convertidor de CC elevador interno. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Este CI requiere sólo unos pocos componentes pasivos externos y admite cuatro ganancias controladas de GPIO de 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB y 40,7 dB. A pesar de su calificación de ±200 voltios, se aloja en un pequeño paquete QFN de 4 mm × 4 mm × 0,9 mm, que lo hace ideal para aplicaciones portátiles donde el tamaño es un factor y el riel de tensión CC disponible es de sólo unos pocos voltios. En una aplicación háptica básica con un transductor piezoeléctrico como actuador, la señal de transmisión podría ser ajustada por un convertidor de digital a analógico (DAC), que a su vez es controlado por un procesador (Figura 8).

Figura 8: Además de funcionar como un controlador de alta tensión analógico básico, el DRV8662 incluye cuatro valores de ganancia seleccionados por el usuario para ajustar el rango de salida deseado. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Normas, mandatos normativos: una cuestión importante

A diferencia de los diseños de baja tensión donde hay pocas o ningunas normativas de la industria y del gobierno para la seguridad del usuario y del sistema, el mundo del voltaje más alto está estrechamente rodeado por las mismas. Dependiendo de la región del mundo y la aplicación final, las normas específicas serán diferentes, pero en general, los diseños menores inferiores a 50 a 60 voltios tienen pocas o ninguna restricción (lo cual es una razón por la que el sistema telefónico utiliza todavía el riel de 48 voltios). Entre las muchas organizaciones de establecimiento de normas se encuentran UL, IRC, y el IPC.

Sin embargo, a medida que las tensiones aumentan, los cada vez más estrictos requisitos sobre la disposición física del diseño, así como la atención a los modos de fallas eléctricas del diseño y su estructura mecánica se conviertan en grandes problemas. La mayoría de las normativas se centran en los niveles de tensión, no la corriente, ya que el voltaje es la principal fuente de riesgo para los circuitos y para los usuarios. Los mismos alinean estrechamente las consideraciones eléctricas (tensión) y de diseño mecánico.

Estas normas de seguridad se centran en muchas cuestiones, entre ellas:

• ¿Permitirá la disposición interna la formación de arcos o descargas eléctricas e incluso la posibilidad de la combustión de materiales?
• ¿Puede una falla mecánica o de embalaje (una grieta por estrés o fisura después del choque) exponer al usuario a potenciales inseguros?
• ¿Serán las mayores tensiones internas accesibles al usuario?

Las normas definen las dimensiones mínimas para "fugas y separación" en diferentes niveles de tensión (Figura 9). La fuga es la separación entre dos puntos expuestos en la placa de PC, que se mide a lo largo de la superficie de la placa, mientras que la separación se refiere a la distancia más corta entre dos piezas conductoras, que se mide a través del aire. A medida que las tensiones aumentan, las distancias mínimas aumentan también.

Figura 9: Las fugas y separación son consideraciones importantes que afectan el diseño mecánico y el diseño de circuitos y sistemas de tensión superior; las dimensiones mínimas básicas son sólo un punto de partida y son una función de la tensión, así como de otros factores. (Fuente de la imagen: Guía técnica de diseño de placa de CI)

Sin embargo, hay mucho más en relación a los valores mínimos de fuga y separación que una simple tabla de "tensión frente a distancia". Las normas establecen los ajustes para el entorno operativo del circuito (polvo, humedad y otras partículas), los materiales utilizados y otros factores; es bastante complicado y confuso, así que tómese el tiempo para estudiar las normas y directrices pertinentes.

Un diseño que no cumple las normas pertinentes no recibirá la certificación crítica. Por supuesto, mover un punto o parte expuesta tan solo un milímetro en una placa de PC para cumplir los mandatos es a menudo difícil y probablemente tendrá un efecto desagradable en el diseño.

Por lo tanto, es importante contar con un experto en normas de alta tensión en su planta de personal o utilizar un consultor que pueda evaluar y orientar el proyecto en sus primeras etapas, para evitar costosas y laboriosas tareas de rediseño eléctrico, mecánico y de pruebas.

Tomar la decisión

Decidir qué método utilizar para desarrollar tensiones superiores - transistores amplificadores, módulo híbrido, o CI - es una función de muchos factores. Primero, ¿puede el método seleccionado apoyar los parámetros de nivel superior, tales como tensión, corriente, velocidad de rotación, y otros? Segundo, ¿cuál es la habilidad del equipo para el diseño y calificación de un amplificador analógico de alta tensión, exclusivamente desde una perspectiva electrónica? En tercer lugar, ¿puede el equipo de diseño identificar y entender las normas regulatorias y su impacto en el diseño?

Las opciones y soluciones examinadas pueden proporcionar diversas combinaciones de altos voltajes y corrientes. Sin embargo, además de los diseños de circuitos básicos, existen muchas cuestiones de diseño y de colocación externa que deben ser abordadas en las primeras etapas. Estas cuestiones también afectan el enfoque en cuanto al amplificador de alta tensión que es seleccionado, en última instancia.

Conclusión

Mientras que la operación a voltajes más bajos tiene muchas ventajas, a menudo existe la necesidad de combinar los circuitos de baja y alta tensión. Como se ha establecido, esto puede hacerse de forma exitosa y segura si los enfoques son tomados con una cuidadosa atención a la selección del producto y la aplicación, así como la observancia de normas bien establecidas.