Selección de una fuente de alimentación incorporada

Una necesidad muy común es seleccionar una fuente de alimentación CA-CC interna para un producto final en el rango de unos pocos a varios cientos de vatios. En el extremo inferior, una alternativa podría ser una fuente de alimentación externa o un "adaptador", pero por encima de los 100 W es normal optar por un producto integrado como módulo adquirido, tal vez montado en un chasis o en una placa de circuito impreso. Los valientes incluso podrían considerar un diseño interno, especialmente si el rendimiento requerido no es estándar.

¿Por qué interno?

Primero repasemos por qué se puede elegir una fuente de alimentación interna. En el caso de los productos comerciales, a los consumidores no les gustan los voluminosos 'adaptadores' en línea, pero con poca potencia, una 'verruga de pared' no es una gran imposición y, a medida que avanza la tecnología, se exprime más potencia de los paquetes más pequeños, en la medida en que el El adaptador es apenas más grande que el propio enchufe de pared. El uso de un suministro externo también agrada al diseñador del producto:los voltajes peligrosos se mantienen afuera, lo que hace que la certificación de seguridad del producto final sea mucho más fácil.

Las desventajas son que la longitud del cable desde un adaptador hasta el producto cae el voltaje, quizás requiriendo reguladores adicionales en el producto y generalmente no hay oportunidad para un control 'inteligente' de la fuente de alimentación, como el apagado al modo de 'suspensión' o ajuste dinámico. del voltaje de salida. Otro problema es que el cumplimiento general de los estándares EMI sigue siendo responsabilidad del fabricante del producto final, por lo que un adaptador con su variabilidad de producción y su recorrido de cable indeterminado debe incluirse en las pruebas de EMC y puede producir resultados inconsistentes. Por esta razón, no es desconocido que los adaptadores en línea se instalen internamente en los productos finales para facilitar la seguridad y el cumplimiento de EMI.

A potencias superiores, o cuando el control y la funcionalidad son importantes, se prefiere una fuente de alimentación interna o de "equipo". La decisión debe tomarse lo antes posible en el proceso de desarrollo del producto, ya que es una queja común (y a menudo justificada) de los ingenieros de energía del sistema que tienen que obtener una fuente de alimentación incorporada que se ajuste "en cualquier espacio que quede". Esto puede llevar a comprometer los costos y el rendimiento y, en el peor de los casos, la necesidad de una solución personalizada con retrasos y riesgos asociados.

La seguridad, la compatibilidad electromagnética y el medio ambiente son lo más importante

Una fuente de alimentación incorporada debe suministrar los voltios y amperios necesarios, pero hay muchas otras consideraciones. Quizás los más importantes son la seguridad, la compatibilidad electromagnética y el medio ambiente; aquí la guía es el uso final del producto; Se aplican diferentes estándares para una amplia gama de aplicaciones:industrial, doméstica, de prueba y medición, médica y automatización de edificios, por ejemplo. Si el producto se va a utilizar en áreas especializadas como ferrocarriles o militares, los estándares son nuevamente diferentes. Incluso dentro de las áreas de aplicación, existen variaciones:entornos del paciente o del operador en el ámbito médico, por ejemplo.

Una tendencia es que las nuevas normas de seguridad se "basen en los peligros", lo que obliga al fabricante a considerar además cómo se podría hacer un mal uso de su producto; La selección de una fuente de alimentación interna garantiza al menos que no se cambie un adaptador inadecuado. La selección de las certificaciones correctas es extremadamente importante y compleja, pero los proveedores de fuentes de alimentación acreditados a menudo pueden ayudar si no se dispone de un ingeniero de cumplimiento interno con experiencia.

La mecánica es quizás la siguiente consideración, no solo la forma y el tamaño, sino también los conectores y las disposiciones de refrigeración. Las fuentes de alimentación de "marco abierto" son populares y de bajo costo, a menudo con cubiertas opcionales que son necesarias si se puede esperar que un técnico tenga acceso interno al producto mientras está encendido. Otra alternativa es el formato de carril DIN que es común en los paneles de cableado (Figura 1).

Figura 1:Opciones típicas de fuente de alimentación AC-DC interna. (Fuente CUI)

Los productos de fuente de alimentación interna suelen tener terminales de tornillo o conectores enchufables tanto para la entrada como para las salidas de CA, por lo general el estilo "Molex ™". En este caso, los cables, terminales, fusibles, interruptores y cualquier conector de chasis deben tener la clasificación adecuada y estar certificados para la aplicación. Es posible que se detecten interferencias en los cables de entrada de CA externos a la fuente de alimentación pero internos al producto, por lo que las pruebas de EMI pueden mostrar que se necesita un filtro certificado adicional montado en el chasis cerca de la entrada de energía.

La puesta a tierra necesita una atención especial; Si el conector del módulo de fuente de alimentación está desenchufado dentro del producto, aún debe haber una conexión a tierra separada para el chasis del equipo en la entrada en caso de que se suelte un cable vivo. Por lo general, todas las conexiones a tierra no deben ser "enchufables" a menos que al desenchufar el conector se eliminen las conexiones activas de forma simultánea y completa del producto. Si este no es el caso, la conexión a tierra debe realizarse mediante una fijación "permanente" que solo se puede aflojar con una herramienta e incluir una arandela de seguridad u otra técnica antivibración. Por supuesto, la codificación de colores y el calibre del cableado deben observarse de acuerdo con la norma de seguridad aplicada, con protección contra tirones del cable cuando sea necesario.

Los fusibles de entrada para fuentes de alimentación internas deben dimensionarse con cuidado

Las fuentes de alimentación internas con conexiones de CA cableadas a un conector de chasis deben incluir un fusible simple o doble adecuado en la entrada, según corresponda. Recuerde, un fusible de CA de producto final protege los cables y conexiones ascendentes, no la fuente de alimentación interna, de cortocircuitos y sobrecargas. Ciertamente, debe pasar la corriente de funcionamiento normal con cierto margen para la irrupción, pero también debe estar clasificado para que el cableado de CA externo al producto final no se sobrecargue antes de que se abra el fusible después de un corto a tierra entre el conector del chasis y la fuente de alimentación. suministro. Incluso si el cable externo está clasificado para corrientes muy altas, el fusible debe tener un valor de ruptura menor que cualquier fusible o disyuntor aguas arriba, para evitar una falla que provoque la desconexión de varios circuitos, es decir, la `` coordinación '' correcta del fusible:una preocupación crítica en entornos profesionales (Figura 2).

haga clic para ver la imagen en tamaño completo

Figura 2:Los valores de los fusibles en un sistema deben estar "coordinados":valor Fusible 1> Fusible 2> Fusible 3. (Fuente CUI)

Cuando se toman en conjunto, las consideraciones de conexión de CA discutidas influyen en la elección de la fuente de alimentación interna, y el tipo de marco abierto de menor costo no necesariamente produce el costo general más barato del sistema si solo tiene un cumplimiento marginal de EMC y se requiere un filtrado adicional.

El método de enfriamiento dicta el tipo de fuente de alimentación

Las consideraciones de enfriamiento son importantes; Las fuentes de alimentación internas pueden ser por ventilador, por convección natural o por placa base, y la elección depende del producto final y su aplicación. Los ventiladores pueden descartarse en algunos entornos, como el médico, por motivos de ruido o en aplicaciones donde el reemplazo sería difícil, pero las fuentes de alimentación refrigeradas por ventilador serán generalmente más pequeñas que otros tipos. Si se elige un suministro enfriado por ventilador, las rutas de entrada y salida de aire deben identificarse cuidadosamente para evitar "puntos muertos" de aire, especialmente si hay otros ventiladores del sistema en funcionamiento. Fabricantes como CUI proporcionan direcciones de flujo de aire recomendadas y tamaños de ventiladores dentro de las hojas de datos de sus productos; estos deben tenerse en cuenta al diseñar la fuente de alimentación en un sistema (Figura 3).

haga clic para ver la imagen en tamaño completo

Figura 3:Deben tenerse en cuenta las recomendaciones para el tamaño, la dirección y la distancia del ventilador para evitar "puntos muertos" del aire. (Fuente CUI)

Las fuentes de alimentación enfriadas por convección son sensibles a la orientación y deben ubicarse teniendo en cuenta otros componentes generadores de calor para evitar el sobrecalentamiento mutuo. Los fabricantes no pueden predecir las disposiciones del producto final, por lo que calificarán las fuentes de alimentación para una temperatura ambiente "operativa". Este es el ambiente "local" dentro del gabinete del producto final que puede ser considerablemente más caliente que la temperatura externa y solo se conocerá con precisión a través de la simulación y / o medición en un sistema completo bajo condiciones de carga definidas.

Los suministros refrigerados por placa base también están disponibles para gabinetes sellados y eliminan la incertidumbre de la ruta del flujo de calor. Sin embargo, es necesario disponer de una "pared fría" plana, con múltiples fijaciones a la fuente de alimentación. Es posible que sea necesario utilizar un compuesto térmico en la interfaz con láminas de transferencia de calor de silicona otra posibilidad.

Al dimensionar las fuentes de alimentación y sus requisitos de refrigeración, vale la pena comprobar qué potencia continua y máxima se requiere. A veces, se puede usar una fuente de alimentación más pequeña y de menor costo si tiene una alta potencia nominal y la carga es intermitente.

Los expertos pueden orientar su elección

Existe una amplia variedad de fuentes de alimentación internas disponibles y cuál es la mejor depende de muchas consideraciones. Para minimizar el costo y el riesgo, el tipo de fuente de alimentación debe identificarse lo antes posible teniendo debidamente en cuenta el cumplimiento de las normas, la aplicación, el entorno de refrigeración y la facilidad de integración en el cableado y la mecánica del producto final.

Contenidos relacionados:

• Seleccionar una fuente de alimentación externa
• Cómo el USB Type-C puede reducir la confusión del adaptador de alimentación del consumidor y reducir el desperdicio electrónico global
• Combinando cables de datos y energía, Parte 1
• USB Type-C y suministro de energía 101 - Protocolo de suministro de energía
• Uso de conexiones de datos por cable para alimentar dispositivos de IoT exigentes
• Desenredar los desafíos del diseño de energía inalámbrica en el vehículo

Para obtener más información sobre Embedded, suscríbase al boletín informativo semanal por correo electrónico de Embedded.