Uso de CI de conmutación avanzados para implementar fuentes de alimentación de CA/CC eficientes, ricas en características y de bajo consumo.

Las fuentes de alimentación de CA/CC de baja potencia de aproximadamente 10 W o menos se utilizan ampliamente en atenuadores domésticos, interruptores, sensores, electrodomésticos, Internet de las cosas (IoT) y controles industriales. Su ciclo de trabajo es relativamente bajo, con la carga en modo de espera durante largos periodos, pero el suministro debe "despertarse" rápidamente cuando se activa el dispositivo.

Diseñar este tipo de fuentes es conceptualmente fácil: empezar con unos cuantos diodos para la rectificación de la línea, añadir un CI controlador, colocar capacitores de filtro a la salida, insertar un transformador si se necesita aislamiento y la tarea está hecha. Sin embargo, a pesar de la aparente sencillez, la realidad de la creación de estos suministros difiere significativamente.

Deben proporcionar la función básica de suministrar un riel de salida de CC estable y cumplir múltiples mandatos normativos estrictos en materia de seguridad del usuario, eficiencia bajo carga y eficiencia en modo de espera. Además, los diseñadores deben tener en cuenta cuestiones como la disposición física, los componentes de apoyo, la fiabilidad, la evaluación del rendimiento, la certificación y el embalaje, ya que también trabajan para minimizar la huella y el coste y, al mismo tiempo, cumplir ciclos de comercialización cortos.

En este artículo se presenta una familia de CI de controladores de conmutación fuera de línea altamente integrados de Power Integrations y se muestra cómo puede utilizarse para afrontar estos retos.

MOSFET integrado y CI controlador

La familia LinkSwitch-TNZ de ocho CI controladores de conmutación fuera de línea de Power Integrations combina un interruptor MOSFET de potencia de 725 V con un controlador de fuente de alimentación en un único dispositivo alojado en un receptáculo SO-8C. Cada CI monolítico ofrece una excelente capacidad para soportar sobretensiones, un oscilador, una fuente de corriente conmutada de alto voltaje para autodesfibrado, fluctuaciones de frecuencia, un límite de corriente rápido (ciclo por ciclo), desconexión térmica histerética y circuitos de protección contra sobretensiones de entrada y salida.

Los dispositivos pueden formar el núcleo de una disposición no aislada, como el diseño del convertidor reductor (Figura 1) que utiliza el LNK3306D-TL con una corriente de salida de 225 mA o 360 mA, en función del modo de conducción seleccionado. También pueden configurarse como fuentes de alimentación buck-boost no aisladas, que suministran hasta 575 mA de corriente de salida.

Figura 1: Este diseño típico de convertidor reductor no aislado que utiliza un miembro de la familia LinkSwitch es solo una de las muchas topologías posibles que pueden implementarse utilizando estos dispositivos. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Aunque las cargas con doble aislamiento o protegidas de otro modo contra los fallos del cableado de la línea de CA no necesitan aislamiento galvánico, algunos dispositivos sí lo requieren. Utilizar los dispositivos LinkSwitch-TNZ en un diseño flyback aislado de entrada universal es una mejor opción en una situación así. Los dispositivos ofrecen hasta 12 A de potencia de salida en esa topología.

Los CI de la familia LinkSwitch-TNZ ofrecen diferentes corrientes de salida y capacidades de potencia, dependiendo de la topología (Tabla 1).

Tabla 1: La familia LinkSwitch-TNZ admite múltiples configuraciones, topologías y modos de funcionamiento. Cada disposición tiene una corriente de salida máxima o un límite de potencia diferentes. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Del concepto a la aplicación

La gran integración y flexibilidad de la familia LinkSwitch-TNZ simplifica la tarea del diseñador. Entre los muchos retos que plantea el desarrollo de un diseño de fuente de alimentación certificada y apta para su envío se encuentran:

1. Estrictos requisitos obligatorios relacionados con la eficiencia y la seguridad. Esto se ve dificultado por la necesidad de suministrar energía en modo de espera sin dejar de cumplir las estrictas normativas sobre eficiencia energética en espera. Los CI LinkSwitch-TNZ ofrecen la mejor eficiencia de carga ligera de su clase, lo que permite alimentar más funciones del sistema cumpliendo las normativas sobre modo de espera, entre las que se incluyen:
   • La norma de la Comisión Europea (CE) para electrodomésticos (1275), que exige que los equipos no consuman más de 0.5 W en modo de espera o apagado.
   • Energy Star versión 1.1 para sistemas de gestión de energía en el hogar (SHEMS), que limita a 0.5 W el consumo en modo de espera de los dispositivos inteligentes de control de la iluminación.
   • La norma china GB24849, que limita a 0.5 W el consumo de energía en modo apagado de los hornos microondas.

Además de cumplir estos requisitos, los CI LinkSwitch-TNZ reducen el número de componentes en un 40% o más en comparación con los diseños discretos. Estos CI de fuente de alimentación conmutada permiten una regulación del ±3% en línea y carga, tienen un consumo de energía sin carga inferior a 30 mW con polarización externa y una corriente de espera del CI inferior a 100 µA.

2. Admite con seguridad conexiones de línea de CA de dos hilos sin conductor neutro y conexiones de tres hilos. Muchas cargas, como atenuadores, interruptores y sensores, no tienen este tercer cableado, por lo que existe el riesgo de que se produzca una Corriente de fuga excesiva y potencialmente peligrosa. La norma define la corriente de fuga máxima en diversas circunstancias, y la fuga del LinkSwitch-TNZ por debajo de 150 µA en diseños de dos hilos sin neutro está por debajo de este máximo.
3. No supera los límites de emisiones de interferencia electromagnética (EMI). Para cumplir este objetivo, el oscilador LinkSwitch-TNZ utiliza una técnica de espectro ensanchando que introduce una pequeña cantidad de fluctuaciones de frecuencia de 4 kilohercios (kHz) en torno a la frecuencia nominal de conmutación de 66 kHz (Figura 2). La velocidad de modulación de las fluctuaciones de frecuencia se fija en 1 kHz para optimizar la reducción de EMI (interferencia electromagnética) tanto para emisiones medias como de cuasi-pico.

Figura 2: Para mantener las emisiones de EMI por debajo del límite reglamentario, el oscilador LinkSwitch-TNZ utiliza una técnica de espectro ensanchando con una dispersión de 4 kHz en torno a la frecuencia nominal de conmutación de 66 kHz. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

4. Detección de cruces por cero de la línea de CA con un mínimo de componentes adicionales o consumo de energía. Esta detección es necesaria para interruptores de luz, atenuadores, sensores y clavijas que conectan y desconectan periódicamente la línea de CA mediante un relé o un triac.

Los productos y aparatos de automatización de edificios y hogares inteligentes (HBA) utilizan la señal de paso por cero para controlar la conmutación y minimizar el esfuerzo de conmutación y la corriente de irrupción en el sistema.

Del mismo modo, los electrodomésticos suelen utilizar un circuito discreto de detección del paso por cero para controlar la temporización del motor y de la unidad de microcontrolador (MCU). Estas aplicaciones también requieren una fuente de alimentación auxiliar para la conectividad inalámbrica, controladores de compuerta, sensores y pantallas.

Para lograrlo, se suele implementar un circuito discreto que detecta el cruce por cero de la línea de CA para controlar la transición de encendido del dispositivo de alimentación primario y, al mismo tiempo, reducir las pérdidas de conmutación y la corriente de irrupción. Este enfoque requiere muchos componentes y tiene muchas pérdidas, consumiendo a veces casi la mitad del presupuesto de energía en espera.

En su lugar, los CI LinkSwitch-TNZ proporcionan una señal precisa que indica que la línea de CA sinusoidal está a cero voltios. La detección del punto de cruce por cero de LinkSwitch-TNZ consume menos de 5 mW, lo que permite a los sistemas reducir las pérdidas de potencia en espera frente a enfoques alternativos que requieren diez o más componentes discretos y disipan de 50 a 100 mW de potencia continua.

Luego, está el capacitor X.

Los filtros de línea EMI incluyen capacitores de clase X y clase Y para minimizar la generación de EMI/RFI. Se conectan directamente a la entrada de alimentación de CA en la línea de CA y al neutro de CA (Figura 3).

Figura 3: El filtrado EMI requiere capacitores de filtrado de Clase X y Clase Y en la línea de CA, pero el capacitor de Clase X debe gestionarse después de la desconexión de la línea para garantizar la seguridad del usuario. (Fuente de la imagen: www.topdiode.com)

Las normas de seguridad exigen que el capacitor X de los filtros CEM se descargue cuando se desconecta la línea de CA para garantizar que la tensión y la energía almacenadas no permanezcan en el cable de línea durante un periodo prolongado después del corte. El tiempo máximo de descarga permitido se rige por normas industriales como IEC60950 e IEC60065.

El método tradicional para garantizar que se produce la descarga necesaria es añadir resistencias de purga en paralelo al capacitor X. Sin embargo, este enfoque conlleva una penalización de potencia. Una solución mejor es incluir una función de descarga del capacitor X con una constante de tiempo ajustable por el usuario. CI como el LNK3312D-TL adoptan este enfoque. El resultado es una placa de circuito impreso (PC) más pequeña, una menor lista de materiales (BOM) y una mayor fiabilidad.

Las fuentes de alimentación y los convertidores necesitan múltiples características de protección. Todos los dispositivos de la familia de CI LinkSwitch-TNZ incorporan:

• Arranque suave para limitar el esfuerzo de los componentes del sistema al arrancar
• Reinicio automático en caso de cortocircuito y bucle abierto
• Protección contra sobrevoltaje de salida
• Protección contra sobretensión de entrada de línea
• Protección histerética contra sobretemperatura

Del CI al diseño completo

Un CI por sí solo, por muy bueno o repleto de características que sea, no puede ser un convertidor de CA/CC completo y listo para funcionar, ya que muchos componentes no pueden o no deben integrarse en ese dispositivo. Entre ellos, capacitores de filtrado a granel, capacitores de derivación, inductores, transformadores y componentes de protección. La necesidad de componentes externos se muestra en la entrada universal no aislada, 6 V, 80 mA fuente de alimentación de voltaje constante con un detector de paso por cero basado en un dispositivo LNK3302D-TL (Figura 4).

Figura 4: Se muestran los componentes externos necesarios para una fuente de alimentación completa y segura de entrada universal no aislada, 6 V, 80 mA de voltaje constante con detector de paso por cero basada en un CI LNK3302D-TL. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

También existen dimensiones mínimas relacionadas con la seguridad para atributos como la fuga y el espacio libre. La cuestión se convierte entonces en la dificultad de desarrollar un diseño completo. La familia de CI LinkSwitch-TNZ facilita la tarea. Por ejemplo, al utilizar una frecuencia de conmutación de 66 kHz, los electroimanes necesarios son artículos estándar disponibles en el mercado de múltiples proveedores. Además, Power Integrations proporciona diseños de referencia.

Para quienes necesiten una fuente de alimentación aislada, el diseño de referencia RDK-877 (Figura 5) es una fuente de alimentación flyback aislada de 6 W con detección de paso por cero basada en el LNK3306D-TL.

Figura 5: El diseño de referencia RDK-877 de 6 W proporciona aislamiento en una topología Flyback y se basa en el LNK3306D-TL. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

La alimentación tiene un rango de entrada de 90 V_CA a 305 V_CA, una salida de 12 V a 500 mA y un consumo de energía sin carga inferior a 30 mW en todo el rango de la línea de CA. Se dispone de más de 350 mW de potencia en modo de espera, mientras que la eficiencia en modo activo cumple los requisitos DOE6 y EC CoC (v5) con una eficiencia a plena carga superior al 80% con cargas nominales. El diseño también cumple los requisitos EN550022 y CISPR-22 Clase B para EMI (interferencia electromagnética) conducida.

Conclusión:

Diseñar y poner en marcha una alimentación de CA/CC de bajo consumo puede parecer trivial. Sin embargo, la realidad de cumplir los objetivos de rendimiento y eficiencia, los mandatos de seguridad y reglamentación, así como las exigencias de coste, huella y tiempo de comercialización, lo convierten en una tarea difícil. Los CI de conmutación como los de la familia Power Integrations LinkSwitch-TNZ de controlador y MOSFET combinados facilitan enormemente la tarea. Estos CI admiten distintos niveles de potencia y pueden utilizarse con diversas topologías de alimentación, al tiempo que incorporan funciones esenciales como la detección del paso por cero y la descarga del capacitor X.