Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Introducción Para alimentar un equipo electrónico (o un sistema más complejo compuesto por varios sub-equipos) suelen ser necesarias varias tensiones de alimentación: +5, +12, -12 etc. Para conseguir suministrar estas tensiones siempre hay múltiples opciones y en cada caso será necesario estudiar cuál es la mejor Hay varias opciones básicas:
– Convertidores independientes – Conexión de varias etapas en cascada – Uso de convertidores multisalida También es necesario tener en cuenta cómo distribuir la energía por el sistema. Existen dos posibilidades: – Alimentación concentrada: existe un único punto de conversión de la energía eléctrica al formato final que necesitan las cargas – Alimentación distribuida: conversión de la energía eléctrica al formato final que necesita cada carga se realiza junto a ella
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Conexión de varias etapas en cascada Es un sistema sencillo para poder alimentar equipos que necesiten de varias tensiones distintas. También es útil para conseguir mejorar determinadas características globales, que se van atribuyendo a cada uno de los convertidores conectados en cascada Si CC/CC 1 es el convertidor principal, CC/CC 2 es un “posregulador” (caso habitual en sistemas multisalida). Puede ser incluso un regulador lineal Si CC/CC 2 es el convertidor principal, CC/CC 1 es un “prerregulador” (caso habitual en conversiones “difíciles”) Al ser dos convertidores completos e independientes, es interesante minimizar su complejidad (uno de ellos puede carecer de aislamiento galvánico) (Gp:) CC/CC 1 (Gp:) CC/CC 2 (Gp:) V1 (Gp:) V2 (Gp:) Vg
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Conexión de varias etapas en cascada Ejemplos Alimentación de sistemas de potencias por encima de 500 – 700 W con corrección de factor de potencia Elevador con CFP Sin aislamiento Tensión universal Buen rendimiento Cumple IEC 61000-3-2 (Gp:) CA/CC 1 (Gp:) Vg (Gp:) CC/CC 2 (Gp:) 400 V
Convertidor con aislamiento Circuito de control independiente Tensión de entrada casi fija Buen rendimiento En este caso el convertidor de entrada (front-end) es un preregulador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Conexión de varias etapas en cascada Ejemplos Sistema digital que necesita dos tensiones bajas en las tarjetas: 5 V y 3,3 V La tensión de entrada de 48 V (habitual en telefonía fija) Convertidor directo con enclavamiento activo y rectificación síncrona autoexcitada Proporciona aislamiento Buena dinámica Buen rendimiento Reductor síncrono Muy buen rendimiento (tensión de salida cercana a la de entrada) Buena dinámica (Gp:) CC/CC 1 (Gp:) CC/CC 2 (Gp:) 5 V (Gp:) 3,3 V (Gp:) 48 V
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Convertidores multisalida Es una opción muy utilizada En la opción habitual, sólo se regula la salida principal (Gp:) n1:1 (Gp:) n2:1 (Gp:) V2 (Gp:) V1
(Gp:) El ciclo de trabajo D se modula para que V1 esté regulada:
(Gp:) La salida auxiliar ve las misma tensión en el primario que la principal. Por tanto:
A este tipo de regulación se le llama regulación cruzada (Gp:) Control
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación concentrada versus alimentación distribuida En sistemas complejos compuestos por múltiples subsistemas, es importante pensar detenidamente el esquema de alimentación Ejemplo: supongamos una serie de equipos que necesitan una tensión de 12 V para funcionar Alimentación concentrada: podemos utilizar un único convertidor con 12 V de salida que maneje la suma de potencias de todos los sub-equipos (Gp:) Sub-equipo 1 (Gp:) Sub-equipo 2 (Gp:) Sub-equipo n (Gp:) CC/CC 230 – 12V (Gp:) Bus de 12 V
Características: El convertidor maneja toda la potencia El bus debe estar muy bien diseñado para que tenga pocas pérdidas y poca componente inductiva Si cae el convertidor, cae el sistema completo
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación distribuida: por ejemplo, llevar la energía en alterna directamente hasta cada carga y utilizar pequeños convertidores específicos para cada una de ellas Características: Hay muchos convertidores Cada uno maneja poca potencia No hay problemas con el bus de distribución Cada carga es autónoma (Gp:) Sub-equipo 1 (Gp:) Sub-equipo 2 (Gp:) Sub-equipo n (Gp:) CC/CC 230 – 12V (Gp:) 230 V (Gp:) CC/CC 230 – 12V (Gp:) CC/CC 230 – 12V
Alimentación concentrada versus alimentación distribuida
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación (Gp:) Vg: 48 V V0: 12 V, 5V (Gp:) Vg: 48 V V0: 72 V (Gp:) Esquema clásico
(Gp:) Vg: 230 V V0: 12 V, 5V (Gp:) Vg: 230V V0: 72 V (Gp:) Nuevo esquema patentado por Alcatel
Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: Centralita telefónica (Gp:) La tensión en el bus era: Alterna rectificada en condiciones normales Continua si entraba la batería
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: fuente de alimentación de un PC Los ordenadores necesitan varias tensiones internas para funcionar La potencia máxima especificada oscila entre 200 y 300 W, dependiendo de la potencia del propio PC Especificación ATX 200 W Se suele implementar con convertidores multisalida y posreguladores La tensión +5 VSB se implementa en un convertidor distinto. Es la tensión de “standby” que debe estar activa cuando el PC está “dormido”
(Gp:) 12 V (Gp:) 5 V (Gp:) 3,3 V
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Fuente de alimentación de un PC (Gp:) Filtro EMI
(Gp:) -15 V (Gp:) Reg. Lineal (Gp:) -12 V (Gp:) Reg. Lineal (Gp:) -5 V
Posible esquema de la fuente: (Gp:) Rectificador + filtro LC (para cumplir con la EN 61000-3-2)
(Gp:) Fuente independiente para +5 VSB (Gp:) 5 VSB
(Gp:) Si la regulación cruzada no es suficiente, se puede utilizar un reductor como posregulador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un microprocesador La alimentación eficientemente de microprocesadores de última generación es un reto tecnológico de primera magnitud Para reducir las pérdidas en el micro, los fabricantes optan por bajar la tensión de alimentación Como contrapartida, la corriente que debe manejar aumenta proporcionalmente. Además, en el funcionamiento del micro hay cambios de potencia enormes y las demandas de energía son muy rápidas
¡Esto resulta muy complicado para la fuente de alimentación!
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un microprocesador El esquema clásico se basa en el uso del convertidor reductor síncrono Se utilizan 4 (n) de ellos en paralelo desfasados 90º (360º/n) para conseguir las prestaciones deseadas. Se puede reducir el tamaño de estos condensadores aumentando la frecuencia de conmutación (1-2 MHz) (Gp:) Para conseguir dar las derivadas de corrientes tan fuertes como las que va a haber, se conectan condensadores especiales a la salida (de OSCON). Son muy costosos.
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un microprocesador GigaByte GA-MA78GM-S2H Motherboard
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación GigaByte GA-EP45-DS3L Motherboard Alimentación de un microprocesador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Asus Rampage Formula Motherboard Alimentación de un microprocesador
Albatron PX845PEV Pro Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un microprocesador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) o UPS es un sistema de potencia que es capaz de generar la tensión de red durante un cierto tiempo en ausencia de ésta Sirve para proteger frente a fallos en la red de distribución de energía eléctrica a determinados sistemas críticos: – Quirófanos – Sistemas de almacenamiento de datos críticos – Aeropuertos
Están compuestos por varios convertidores, utilizan baterías para almacenar la energía eléctrica y suelen requerir de un sistema de control y supervisión
Existen diversos esquemas básicos con diferentes características: – SAI on-line o de doble conversión – SAI off-line o pasivo – SAI interactivo o híbrido
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida Funcionamiento normal desde la red Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías Topología On-line o Doble Conversión
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida Funcionamiento normal desde la red Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías Topología Off-Line o pasiva
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida Funcionamiento normal desde la red Topología Interactiva o Híbrida Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un Satélite En un satélite la energía se obtiene de paneles solares La energía obtenida se utiliza para alimentar los equipos que lleva a bordo y para cargar las baterías Cuando el satélite entra en zona de sombra, no hay energía en los paneles y debe extraerse de las baterías (Gp:) Bus (100 V) (Gp:) Equipo (Gp:) CC/CC (Gp:) CC/CC (Gp:) CC/CC (Gp:) Cargador de baterías (Gp:) CC/CC (Gp:) En realidad, el panel trabaja como fuente de corriente
Es fundamental que el sistema de potencia tenga un peso mínimo, un gran rendimiento y una gran fiabilidad Si se puede, se intenta evitar el uso de topologías con bobinas (por peso)
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un Satélite En la Agencia Espacial Europea (ESA) se utiliza, por cada bloque de paneles, un sistema de regulación de potencia llamado S4R (Sequential Switching Shunt Regulator) con tres funciones: – Mantiene estable la tensión del bus de potencia (a unos 100 V) – Carga las baterías (36 V) – Cortocircuita los paneles que no están en uso
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Alimentación de un Satélite: ejemplo de la alimentación de un TWT Uno de los equipos que pueden ir a bordo de un satélite de comunicaciones es un TWT (Travelling Wave Tube). Este equipo se alimenta a alta tensión (por ejemplo, 3 kV) Un posible esquema de alimentación sería el siguiente: