No es tan simple: las fuentes de alimentación en los centros de datos dependen de inductores avanzados de alta corriente

Los inductores, junto con sus dispositivos pasivos, resistencias y condensadores, tienen un problema de relaciones públicas. A diferencia de los dispositivos de estado sólido, con sus profundas bases físicas y fábricas multimillonarias, los inductores simplemente no reciben la atención ni el respeto que merecen.

La sensación general entre ingenieros y otros tecnólogos es que su simplicidad no los hace dignos de admiración. En realidad, sin embargo, tienen una sofisticación propia, incluso en comparación con dispositivos activos.

Durante muchos años después de la década de 1830, cuando Michael Faraday descubrió que un campo magnético cambiante podía inducir corriente y Joseph Henry estudió de forma independiente la "autoinducción" (un conductor que induce corriente en sí mismo), la inductancia y el inductor siguieron siendo un misterio. No fue hasta que se entendió mejor la electromagnetismo, usando tanto las leyes eléctricas básicas como las ecuaciones de Maxwell, que se resolvió el misterio de cómo simplemente formar un bucle en un cable podía cambiar sus propiedades eléctricas.

Parte del dilema de relaciones públicas es que el inductor (Figura 1, arriba, izquierda) está representado por un símbolo esquemático muy común (Figura 1, arriba, derecha). Además, los conceptos básicos que se enseñan en la escuela de ingeniería suelen representar el inductor como un simple trozo de alambre que ha sido doblado o bobinado; de ahí el término "bobina", un nombre informal para el inductor en muchas aplicaciones. En realidad, se utilizan con éxito en una variedad de diseños para almacenar energía que filtra la ondulación en la salida de una fuente de alimentación conmutada (SMPS) (Figura 1, abajo) y para crear un circuito de sintonización resonante por RF.

Figura 1: Las primeras bobinas inductoras de núcleo de aire para radios de cristal se formaban a partir de alambre enrollado alrededor de una forma de cilindro hueca (arriba, izquierda), y el símbolo esquemático correspondiente es una bobina simple (arriba, derecha); el diagrama de bloques de un SMPS típico muestra la ubicación del inductor del filtro de salida (abajo). (Fuentes de la imagen: United Nuclear, Bourns y Circuit Basics LLC)

La física del inductor se define mediante una breve ecuación que vincula la inductancia (L), el voltaje (V) y la tasa de cambio de corriente (I): V = L × (dI/dt).

La ecuación indica que el inductor no impide las corrientes de corriente continua (salvo su resistencia óhmica), pero resiste ("induce") las corrientes cambiantes. Para cualquier valor de inductancia, esta oposición aumenta con la tasa de cambio (frecuencia). Su "factor de calidad" (Q) es una medida adimensional de las pérdidas del inductor, definida como la relación entre su reactancia inductiva y su resistencia efectiva en serie, que incluye tanto la resistencia CC (DCR), idealmente cercana a 0 ohmios (Ω), como las pérdidas dependientes de la frecuencia.

En los inicios de la radio, los aficionados al bricolaje construían radios de cristal usando una bobina de sintonía hecha de muchas vueltas de alambre bobinadas alrededor de una varilla o tubo de cartón de apenas unos pocos centímetros de largo. Así es como se muestran la mayoría en la literatura básica de electrónica, y el inductor de alambre todavía se usa en casos especializados. Sin embargo, las fuentes de alimentación de alta corriente actuales necesitan un tipo diferente de inductor, con baja inductancia, muy baja DCR y alta capacidad de corriente.

Las bobinas ya no son suficiente

Los inductores son componentes esenciales en los SMPS de alta corriente y alta eficiencia utilizados en centros de datos. Casi todos los diseños incluyen un pequeño inductor para almacenamiento de energía y para suavizar la ondulación de salida, funcionando junto con un condensador de salida.

A los niveles de corriente requeridos en el centro de datos, incluso un DCR pequeño se traduce en una ineficiencia significativa y calor residual. Los números muestran por qué: una resistencia de solo 10 miliohmios (mΩ) que transporta 100 amperios (A) resulta en una pérdida de 100 vatios (P = I²R). Por eso un DCR inferior a 1 mΩ es vital en situaciones de alta corriente.

Para mitigar pérdidas y disipar el calor residual, al tiempo que apoyan factores de forma cada vez más pequeños y procesos de montaje superficial, los proveedores emplean materiales avanzados, diseños físicos innovadores y técnicas de fabricación mejoradas.

Un buen ejemplo es la serie SRP1024HMCT-75NM (Figura 2) de la serie SRP1024HMCT de inductores de potencia blindados de Bourns. Con una huella de 0,157 × 0,417 pulgadas (pulgadas) (4 × 10,60 milímetros (mm)) y un perfil muy bajo de 0,087 pulgadas (2,2 mm), este inductor de alta corriente proporciona 0,075 microhenrios (μH) de inductancia (±20%) con un DCR de solo 0,4 mΩ.

Figura 2: El SRP1024HMCT-75NM es un inductor de 0,075 μH con una huella muy pequeña, perfil bajo y un DCR de solo 0,4 mΩ. (Fuente de la imagen: Bourns)

Estas especificaciones solo cuentan una parte de la historia. El inductor está clasificado para una corriente cuadrática media (rms) de 50 A y una corriente de saturación de 65 A. Su construcción blindada utiliza un proceso de prensa caliente moldeada y un núcleo de polvo carbonilo alrededor de un alambre de cobre esmaltado para contrarrestar dos problemas causados por la rápida acción de conmutación de tiempo de subida y bajada de una fuente de alimentación: el zumbido de audio debido a resonancias electroacústicas e interferencias electromagnéticas (EMI). Esto último puede hacer que el diseño general no cumpla con los estrictos límites de EMI sobre el ruido eléctrico radiado.

Todos los inductores que transportan más de una cantidad insignificante de corriente se ven afectados por el autocalentamiento. El SRP1024HMCT-75NM soporta un rango de temperatura de funcionamiento de -40°C a 125°C. Dentro de este rango, los diseñadores deben conocer y modelar el efecto de la temperatura sobre los parámetros y el rendimiento del inductor, y tener en cuenta esa información en sus modelos de circuitos de potencia y simulaciones posteriores.

Por estas razones, Bourns proporciona un gráfico (Figura 3) que muestra la relación entre la corriente continua, el aumento de temperatura asociado y la consiguiente disminución de la inductancia.

Figura 3: Un gráfico de la hoja técnica del inductor SRP1024HMCT-75NM muestra la relación entre la corriente continua, el aumento de temperatura y la inductancia efectiva. (Fuente de la imagen: Bourns)

La hoja técnica también proporciona el perfil específico de temperatura de soldadura para este componente. Aunque esta información interesa principalmente al equipo de fabricación y producción, otros componentes en la lista de materiales (BOM) pueden tener requisitos diferentes, lo que podría llevar a cambios en el proceso de producción o en la selección de componentes de la BOM.

Conclusión

Para los centros de datos, es fácil centrarse en la topología de la fuente de alimentación y el rendimiento general, especialmente en la eficiencia, y prestar poca atención a las sutilezas de componentes pasivos básicos de dos terminales como los inductores. Como se muestra, los inductores blindados de Bourns permiten a los SMPS soportar las altas corrientes de los centros de datos a pesar del aumento de temperatura asociado, las consideraciones de EMI e incluso las limitaciones físicas de tamaño.