Utilice convertidores montados en placa para cumplir con los requisitos de alimentación CA/CC y CC/CC aislados y no aislados

Un sistema moderno de distribución de energía suele requerir una combinación sofisticada de convertidores de alimentación CA/CC y CC/CC aislados y no aislados. Los convertidores aislados son principalmente necesarios para la protección del sistema y del usuario en caso de fallos únicos o múltiples; también son necesarios para alimentar subfunciones aisladas y mantener la integridad de la señal.

En principio, puede diseñar fácilmente su propio convertidor de baja a moderada potencia (hasta unos 1000 vatios) usando circuitos integrados sofisticados, con diferentes arquitecturas que ofrecen distintos compromisos en rendimiento. Sin embargo, la realidad de desarrollar y validar estos convertidores es otra historia. Al menos, debe cumplir un conjunto básico de requisitos funcionales y de rendimiento, incluyendo tensión y corriente de salida, eficiencia, respuesta a transitorios, tamaño físico y protección contra fallos en línea, carga y alimentación.

El reto del diseño no se limita solo a lo básico. Existen listas de mandatos regulatorios que cubren seguridad, eficiencia en diferentes niveles de carga, rendimiento en el apagado, rendimiento térmico y emisiones y susceptibilidad de interferencias electromagnéticas (EMI), entre otros. Estos atributos deben ser verificados por un laboratorio de pruebas certificado, lo que alarga significativamente el calendario de diseño. La sencilla opción de hágalo usted mismo (DIY) pronto se vuelve muy arriesgada y pronto verá que la decisión de comprar contra hacer se inclina mucho hacia comprar.

Si no está convencido, considere que el convertidor también debe incluir aislamiento galvánico. Aunque es un requisito común para casi todos los convertidores CA/CC, también es necesario para algunos convertidores CC/CC. Esta necesidad introduce nuevos mandatos regulatorios, de seguridad y certificación, lo que inclina aún más la decisión de hacer vs comprar a favor de la compra, independientemente del tamaño de la oferta.

La buena noticia es que los convertidores de alimentación aislados y no aislados montados en placa están disponibles en una amplia gama de tensiones y corrientes. Estos simplifican enormemente el diseño y la implementación de productos para aplicaciones en defensa, comunicaciones, pruebas y medición (aisladas) y robótica móvil (no aisladas), y pueden usarse en combinación para la distribución de energía.

Como componentes integrables, pueden colocarse en la placa principal de circuito impreso (placa CI) en una ubicación optimizada para los rieles de distribución de energía. Además, no necesitan soportes discretos ni soportes. En resumen, proporcionan la función de potencia como una solución cerrada, completa y lista para usar.

Conceptos básicos del aislamiento

El aislamiento galvánico es una barrera eléctrica que impide que se forme un trayecto conductor ("óhmico") entre dos lados de una señal o de un trayecto de potencia. Sin embargo, este aislamiento debe permitir que la energía y la potencia pasen mediante otros métodos de transferencia. Puede ser necesario aislamiento para señales, energía o ambos, dependiendo del diseño. Las técnicas utilizadas para implementar el aislamiento dependen de las especificidades del flujo de corriente que se está aislando.

Puede que necesite aislamiento por varias razones. Para las señales, puede mejorar la integridad del sensor, eliminar bucles de tierra o proteger a los usuarios y circuitos en caso de fallos que permitan el flujo de energía hacia las rutas de señalización.

Para la alimentación, es principalmente necesario para garantizar la seguridad del usuario y evitar descargas eléctricas por contacto involuntario con líneas de corriente alterna o corriente continua de alta tensión. También soporta las necesidades de circuitos "flotantes" (sin conexión a tierra del circuito) usados para señales no eléctricas.

En general, el aislamiento es un método para enrutar el flujo de corriente de acuerdo con la Ley de Corrientes de Kirchhoff (KCL). Para que fluya corriente, debe haber un camino de retorno de regreso a la fuente y el papel del aislamiento es romper ese camino. En un escenario de posible descarga eléctrica, el camino completo de fallo y corriente a través del usuario y de regreso a tierra (Figura 1, izquierda) se interrumpe mediante el transformador de aislamiento en la fuente de alimentación (Figura 1, derecha).

Figura 1: Para evitar descargas eléctricas, el camino de corriente de fallo a través del usuario y de vuelta a tierra (izquierda) se interrumpe mediante el transformador de aislamiento en la fuente de alimentación (derecha). (Fuente de la imagen: Lumen Learning)

En un escenario común de posible choque, el aislamiento deshilachado permite que un cable de alimentación vivo/caliente entre en contacto directo con la carcasa metálica del aparato. Aunque el aparato pueda seguir funcionando como se espera, el usuario podría recibir una descarga si la conexión tierra/tierra se rompe (como suele ocurrir) y la corriente de fallo fluye a través del usuario hacia tierra en lugar de pasar de forma segura por el cable de tierra.

Para gestionar este riesgo, la función de aislamiento en la fuente de alimentación interrumpe el camino de corriente entre la fuente original de tensión y el dispositivo. Esto evita que se forme un circuito entre ellos, eliminando así el riesgo de descargas eléctricas a pesar del fallo en el cableado.

Tenga en cuenta que los voltajes de riesgo incluyen tanto voltaje de línea CA como tensiones CC comparables, como las de paquetes de baterías multicélula. La mayoría de las normas regulatorias definen voltajes peligrosos como aquellos superiores a unos 60 voltios, dependiendo de la situación y el tipo de voltaje.

El aislamiento de potencia casi siempre se realiza mediante acoplamiento magnético mediante un transformador. El acoplamiento magnético es eléctricamente eficiente, técnicamente eficaz, muy flexible, altamente fiable y fácilmente adaptado para cumplir tanto los requisitos regulatorios como los del circuito.

Las razones de tantas buenas elecciones

No faltan opciones arquitectónicas en la planificación de la distribución de energía porque los sistemas modernos utilizan muchos rieles de potencia. Sin embargo, seleccionar el convertidor de alimentación adecuado puede ser complicado cuando hay que aislar partes de un circuito mientras que otras no requieren aislamiento o no deben aislarse.

Hay casos en los que un riel de suministro de alta tensión CA/CC o CC/CC no necesita aislamiento, pero sí se necesita aislamiento más adelante en la cadena de distribución eléctrica. Entre las decisiones que deben tomar los diseñadores están si utilizar un único suministro aislado mayor o varios más pequeños, y si usar un suministro aislado solo cuando sea necesario y suministros no aislados en otros lugares (Figura 2).

Figura 2: Un sistema completo de distribución de energía a nivel de sistema suele requerir una combinación de convertidores de alimentación CA/CC y CC/CC aislados y no aislados. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

Para cubrir estas necesidades, TDK-Lambda ofrece una amplia gama de convertidores de alimentación CA/ CC y CC/CC aislados y no aislados montados en placa, que cubren muchas capacidades de voltaje y corriente de entrada/salida. Algunos ejemplos son:

CA/CC aislados: El PFE500F-28/T es un convertidor de salida única de 28 voltios/18 amperios (A) para entrada de 85 a 265 voltios CA (VCA). Cuenta con aislamiento de entrada a salida de 3000 VCA en un módulo cerrado de 122 × 70 × 12.7 milímetros (mm) de ladrillo completo para su uso en entornos donde la convección o la refrigeración por aire forzado no son viables.

CA/CC no aislado: El módulo cerrado PF1500B-360, también de tamaño completo, convierte la entrada de CA en una salida regulada de 360 voltios CC (VCC) para su uso en sistemas de alimentación distribuidos que utilizan convertidores CC/CC aislados de alta tensión, o cargas que requieren una fuente de alta tensión. Está valorado en 1512 vatios con entradas de 170 a 265 VCA y 1008 vatios a 85 a 265 VCA. El módulo tiene un factor de potencia de 0.98 y una eficiencia de hasta el 96.5%.

CC/DC aislados: El convertidor CC/CC aislado GQA2W024A050V-007-R entrega 120 vatios en una huella compacta y de alto rendimiento de un cuarto de bloque, con hasta 3000 VCC de aislamiento de entrada-salida. Funciona en un rango de entrada de 9 a 36 voltios y entrega 5 voltios a 24 A. Su envase mecánico está disponible en múltiples configuraciones base, cerradas y envasadas (Figura 3), soportando refrigeración por convección y conducción mediante una placa fría externa o disipador térmico.

Figura 3: Para proporcionar a los diseñadores la máxima flexibilidad en el diseño general de su paquete y refrigeración del convertidor, el convertidor GQA2W024A050V-007-R está disponible en configuraciones de múltiples encapsulados. (Fuente de la imagen: TDK-Lambda)

CC/CC no aislado: El convertidor CC/CC (PoL) no aislado de punto de carga (PoL) I6A24014A033V-003-R es muy adecuado para crear rieles de alta corriente y voltaje de salida a partir de una fuente de alimentación de 12 o 24 VCC. Tiene un rango de entrada de 9 a 40 voltios, entrega hasta 14 A y ofrece un amplio rango de ajuste de salida de 3.3 a 24 voltios en un paquete compacto de 1/16 de milímetro.

Conclusión

TDK Lambda ofrece convertidores aislados y no aislados montables en placas de circuito para una variedad de topologías y especificaciones de voltaje de entrada y salida. El resultado es un conjunto optimizado de convertidores de alto rendimiento y listos para usar, capaces de cumplir con una amplia gama de configuraciones de potencia.