05/06/2019
Héctor García (AVNET Abacus)
Cuando las fuentes de alimentación configurables son la mejor solución
Figura 1. Arquitectura típica de una fuente de alimentación configurable. Figura 1. Arquitectura típica de una fuente de alimentación configurable.// FOTO: AVNET Abacus.
Tradicionalmente, los diseñadores de sistema tratan de usar componentes estándares off-the-shelf (disponibles), esperando así lograr una reducción de coste. Con las fuentes de alimentación, este no es necesariamente el caso si se tiene una visión holística. Un ejemplo convincente se encuentra a la hora de mejorar la rentabilidad de las fuentes de alimentación configurables en fábrica o sobre el terreno cuando se tienen en cuenta factores como tiempo de llegada al mercado y flexibilidad. En este artículo, el autor presenta los pros y los contras a ambos conceptos.

¿Estándar, a medida o modular?

A menudo asumimos que, en cualquier diseño de producto, si se utiliza una fuente de alimentación off-the-shelf, será la opción más económica en comparación con un modelo total o parcialmente a medida. Es verdad que, con la vertiginosidad de lanzamientos y actualizaciones de productos, si se encarga un componente a medida, los costes de ingeniería no recurrente (NRE) pueden ser difíciles de recuperar, el riesgo es elevado y el tiempo de desarrollo podría alargarse demasiado. Incluso en programas militares, que se pueden medir en décadas, se suelen preferir los elementos commercial off-the-shelf (COTS). Aunque los componentes configurables tampoco deberían descartarse.

“Puede tener cualquier color, siempre y cuando sea negro”

Esta frase atribuida a Henry Ford no refleja fielmente lo que dijo, pero sin duda su mensaje podría facilitar la vida de los fabricantes si se traslada a las especificaciones de producto de las fuentes de alimentación. Desde luego, los fabricantes se concentran en traer al mercado modelos estándares particulares y tratan de especificarlos para atraer al mayor número de aplicaciones. Cuando una marca puede vender la mayoría de sus productos como una solución configurable, el coste en el mercado se puede acercar sorprendentemente a un “estándar”.

Un argumento a menudo esgrimido es que un componente “estándar” se envía a muchos clientes y, por consiguiente, los fabricantes se benefician de una economía de escala. Si usted piensa en los ahorros de llegar siempre al cliente, entonces esto es algo bueno. Pero aquí hay una falacia: cada fabricante de fuentes de alimentación necesita tener cientos, cuando no miles de “estándares” para responder a las demandas del mercado. Sólo hay que echar un vistazo al listado de productos de potencia con multitud de variantes disponibles de los fabricantes típicos. Para ellos, esto implica enormes listas de proveedores aprobados y montones de documentos. Si pueden vender menos tipos que se adapten a más aplicaciones, se produce un ahorro real que pasa al usuario final. Aquí es donde los productos “configurables” pueden marcar la diferencia, tanto para los fabricantes como para los clientes.

¿Ya no tiene que entrar la fuente de alimentación en el espacio que “sobra”?

Ante las restricciones de consumo y coste, los diseñadores son conscientes de que su sistema de alimentación no puede ser una ocurrencia tardía. Aunque esto tiene un efecto desafortunado, la especificación de la fuente de alimentación se debe establecer en la fase de desarrollo más temprana con supuestos de ratio de potencia, tamaño, carriles de tensión e, incluso, niveles de seguridad. Entonces hay que anticipar las funciones de monitorización y control. El resultado puede ser que los diseñadores de producto tengan que trabajar con una especificación predeterminada, elegida en la oferta estándar, lo que limita severamente el alcance de sus diseños.

Un diseñador poco responsable sería osado, pero existe un riesgo real de que la fuente de alimentación y su especificación necesiten cambiarse a medio programa con la consecuente interrupción para llevar a cabo arreglos mecánicos. Incluso si el diseñador trabaja con estas restricciones de especificación de potencia, ¿podría cambiar sus requisitos durante el desarrollo? Seguramente no.

¿Se les ha pedido alguna vez a los diseñadores de circuito que “añadieran una interfaz extra” o “una versión médica”? Esta decisión de considerar la fuente de alimentación como un estándar puede hacer que todo se vaya por la borda y haya que comenzar la investigación de nuevo con todos los costes y las incertidumbres que conlleva.

La solución alternativa consiste en especificar una fuente de alimentación configurable o programable desde el principio. Se trata normalmente de una unidad base con filtrado de la red eléctrica y una fase de corrección de factor de potencia (PFC) seguida de módulos plug-in para tareas de aislamiento y regulación de salida individual. Ahora, se puede admitir cualquier cambio de especificación con, en el peor de los casos, un intercambio del módulo y, en algunas ocasiones, con un simple ajuste de un potenciómetro para una tensión diferente. Por ejemplo, muchas fuentes configurables pueden ajustar una salida única de 5 a 3,3 V sin afectar a otras salidas. Se puede elegir el máximo ratio de alimentación del módulo para la unidad base y las salidas se pueden conectar en paralelo o serie, con la misión de incrementar los niveles de corriente y tensión, respectivamente. El fabricante se suele esforzar en construir una fuente de alimentación configurable que cumpla las especificaciones más estrictas, por lo que espera que superen los requisitos de rendimiento EMC y seguridad médica, incluso para aplicaciones con contacto con el paciente (2 x MOPP).

Usted podría decir que el argumento de especificar una fuente configurable con algún coste extra depende del supuesto de que la elección de una fuente de alimentación estándar siempre implica un cambio durante el desarrollo del programa y la consecuente interrupción, teniendo que escoger otro componente estándar. Nadie desea anticipar fallos, por lo que no parece un argumento popular, especialmente con los asesores financieros. Sin embargo, esta no es toda la historia.

Liberando a los diseñadores

Hay grandes ventajas al decantarse por una fuente de alimentación configurable desde el principio. Siempre y cuando se incluya el formato adecuado en el producto final, la elección de la fuente de alimentación se puede dejar para las últimas fases del desarrollo del producto si se conocen los requisitos de tensión, potencia y señalización. Entonces, el diseñador queda liberado para optimizar su parte del diseño sin restricciones. Y, además, la flexibilidad inherente se puede usar para personalizar el producto final en función de la aplicación. El departamento de marketing también puede desear versiones bare-bones – mediante la extracción o la disminución del tamaño de los módulos de alimentación. También puede querer una opción con múltiples funciones – al añadir o actualizar módulos de potencia. Con esta capacidad de configuración, el tiempo de llegada al mercado se acorta drásticamente.

Los diseñadores de fuentes de alimentación configurables saben que para que su producto sea atractivo la flexibilidad es un elemento esencial, por lo que, por ejemplo, suelen aislar todas las salidas. Las fuentes estándares típicas tendrán una toma de tierra común para las múltiples salidas que limitan a los sistemas de tierra a la hora de optimizar la EMC y la funcionalidad. Las fuentes multi salida estándares también necesitarán una carga mínima en una salida “principal” especificada, por debajo de la que con otras salidas se distancia de la especificación. Los modelos configurables, con sus salidas reguladas individualmente, no padecen esta restricción. Así, la manera típica de controlar las salidas individuales se muestra en la Figura 1, un ejemplo de la familia Excelsys CoolX.

La programabilidad aporta flexibilidad y garantía de futuro

Quizá la mayor ventaja potencial de las fuentes configurables y programables reside en que, gracias a su naturaleza modular con regulación de salida individual, pueden incorporar funciones de señalización y control. Las fuentes de alimentación programables más recientes integran múltiples microcontroladores para control de bucle digital completo. Al abrir el bus de control interno a los usuarios vía una GUI se ofrece la posibilidad de añadir programabilidad en factoría y sobre el terreno y funcionalidad extra al producto final. La Figura 2 muestra un ejemplo de funciones de monitorización del software gratuito suministrado para las fuentes configurables Artesyn iMP.

Figura 2. GUI de software de monitorización de la serie Artesyn iMP.

Figura 2. GUI de software de monitorización de la serie Artesyn iMP

Ahora, las fuentes de alimentación se pueden configurar desde la propia fábrica para una aplicación particular de una variante del producto final y el servicio sobre el terreno se facilita mediante la conexión de diagnóstico portátil, por lo que el usuario final puede adecuar el rendimiento para adecuarlo a sus necesidades de carga.

Utilizando la GUI suministrada por el fabricante, también es posible ajustar dinámica y automáticamente algunas fuentes de alimentación programables, por ejemplo, su carga de batería, donde la tensión puede variar en función de la temperatura de celda. Además, se puede requerir un cambio de modo de corriente constante a tensión constante.

Su elección de configuración y proveedores

Así pues, ¿cuáles son las preferencias del mercado en la actualidad? Los principales fabricantes de fuentes configurables son Artesyn, Excelsys y Mean Well, todos ellos bien representados en la distribución. Artesyn tiene dos gamas: µMP configurable e iMP/iVS, totalmente configurable y programable. Ambas familias son compatibles con las especificaciones médicas EN60601-1. Los modelos µMP pueden disponer de hasta doce salidas, en tanto que las unidades iMP pueden contar con veintiuna salidas y las IVS de elevada potencia, con veinticuatro. Una GUI, que se puede descargar de manera gratuita, se encuentra disponible para las fuentes µMP e iMP, mientras que las iVS se pueden controlar a través de comandos PMBus estándares sobre una interfaz i2C. La serie iHP de alta potencia se puede ampliar con modelos de hasta 24 kW con incrementos de 3 kW y hasta ocho salidas. El sistema posee diversas aprobaciones de seguridad para entornos industriales y es compatible con SEMI F47 para equipos de procesamiento de semiconductores.

Excelsys, por su parte, se distingue por la refrigeración por convección, con diseños con la máxima eficiencia que ofrecen elevada potencia en un pequeño formato (con amplio rango de temperatura operativa). La familia CX06M, por ejemplo, ofrece hasta ocho salidas a 600 W a +40 ⁰C, con limitación hasta +85 ⁰C, y tiene un tamaño de 1U x 4.5 x 8” (44,45 x 114,3 x 203,2 mm). Estas fuentes resultan particularmente idóneas en aplicaciones médicas, donde la ausencia del ruido del ventilador es más que apreciada.

Mean Well ha introducido recientemente su serie NMP de fuentes médicas 2 x MOPP configurables de 650 y 1200 W. El modelo NMP650 con ventilador mide 1U x 6.3 x 3.5” (44,45 x 160 x 88,9 mm), mientras que el NMP1K2 ocupa 1U x 6.3 x 5” (44,45 x 160 x 127 mm). Al igual que las fuentes de Excelsys, se suministran con cinco años de garantía.

Todos los productos proporcionan monitorización y capacidad de programación en cierta medida y suelen tener la capacidad de aportar información relativa a los niveles de tensión, las corrientes de salida y la temperatura por medio de señales PMBus. Es posible establecer el límite de fallo y dotar de una protección completa. Incluso el modo de operación se puede fijar en algunos modelos, cambiando de tensión constante a corriente constante en función de las necesidades. La Figura 3 muestra algunos ejemplos.

Figura 3. Ejemplo de fuentes de alimentación de Artesyn, Excelsys y Mean Well.

Figura 3. Ejemplo de fuentes de alimentación de Artesyn, Excelsys y Mean Well.

Flexibilidad de stock

Con la flexibilidad extrema de las fuentes configurables a precios asequibles, pueden competir con los componentes “estándares” especificados con cierta “inflexibilidad” y permiten a los diseñadores de sistema pasar dicha flexibilidad a los usuarios finales. Los parámetros se pueden personalizar para adecuarse a las necesidades y dotar de una solución a prueba de futuro. También existe la posibilidad de llevar a cabo actualizaciones y cambios en la especificación de salida mediante módulos intercambiables y programación remota a través de GUI fáciles de usar.

Las fuentes de alimentación programables de Artesyn, Excelsys y Mean Well se encuentran disponibles en stock a través de AVNET Abacus. Si necesita asesoramiento en el proceso de selección de la fuente de alimentación para su aplicación, haga clic en el apartado “Pregunte al Experto” o póngase en contacto con nuestros especialistas locales (en su propio idioma). También puede clicar aquí para conocer nuestra amplia gama de soluciones de alimentación AC-DC y recursos de diseño.

 

Héctor García es especialista técnico de soluciones de alimentación en el distribuidor internacional AVNET Abacus.

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