Su ventaja en energía: soluciones innovadoras de diseño de SMPS

En el mundo actual de la electrónica, donde las cosas son cada vez más pequeñas y mejores, el tipo de fuente de alimentación es el héroe anónimo detrás de la mayoría de los nuevos inventos. Aun así, algunos métodos de diseño de fuentes de alimentación son mejores que otros. Dado que la gente necesita que sus fuentes de alimentación sean eficientes, compactas y fiables, los antiguos reguladores lineales han sido sustituidos por fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), también conocidas como fuentes de alimentación conmutadas que proporcionan una salida de CC de bajo voltaje. Somos conscientes de que en el diseño de SMPS no se trata sólo de fabricar componentes, sino también de construir el núcleo de la tecnología del mañana.

Necesidades de potencia en evolución: ¿Por qué SMPS?

La forma de mover los electrones es lo que determina las capacidades de nuestros dispositivos. No importa si es un smartphone o una gran máquina, todo sistema electrónico depende de una fuente de alimentación fiable y eficiente. Durante mucho tiempo se utilizaron reguladores lineales, pero a medida que la tecnología mejoraba, se hizo evidente que tenían algunos inconvenientes importantes.

Si piensa en un grifo tradicional, funciona reduciendo la presión del agua bloqueando parte de ella, lo que desperdicia la energía extra en forma de calor. Los reguladores lineales también funcionan convirtiendo la tensión extra en calor para mantener estable la salida. Aunque este método es sencillo y elegante, consume mucha energía, sobre todo cuando la diferencia de tensión es grande.

La SMPS ha supuesto un gran cambio en la conversión de potencia. Este tipo de fuente de alimentación enciende y apaga rápidamente un semiconductor de potencia, a menudo un transistor, lo que se traduce en un mayor rendimiento y una mejora de la eficiencia energética. La combinación de conmutación y energía almacenada en inductores y condensadores en el SMPS hace que sea muy eficiente en la conversión de niveles de tensión y evita que se desperdicie mucha energía.

Veamos una comparación clara:

La tabla explica por qué el SMPS es ahora la opción preferida para la electrónica moderna, especialmente cuando se trata de cambiar la entrada de CA a un voltaje de CC constante. En OMCH siempre hemos actualizado nuestros métodos de diseño de SMPS para estar a la altura de las nuevas exigencias, por lo que nuestros productos son eficaces y respetuosos con el medio ambiente, y ayudan a clientes de Estados Unidos y de todo el mundo.

Principios básicos del diseño moderno de SMPS

El objetivo principal de cualquier SMPS es controlar la tensión o corriente de salida de forma eficiente. Ahora, en las SMPS modernas se utilizan estrategias de control avanzadas para ayudarlas a rendir mejor que nunca. La idea principal es utilizar un dispositivo semiconductor, normalmente un transistor de conmutación, para encender y apagar rápidamente y convertir la tensión de entrada en pulsos. A continuación, los componentes reactivos suavizan los impulsos para producir una tensión continua constante.

Los sistemas de alimentación conmutados modernos suelen basarse en métodos avanzados de modulación por ancho de pulsos (PWM). En lugar de un interruptor de encendido/apagado, la anchura de los pulsos se ajusta para establecer la tensión de salida según sea necesario. Es parecido a abrir o cerrar el acelerador de un motor: un pulso mayor da más energía y uno menor, menos. Gracias a este control preciso, la tensión se mantiene constante y sin cambios, independientemente de la potencia que se esté utilizando.

En la actualidad, los convertidores resonantes se utilizan mucho en los SMPS porque ayudan a conseguir un alto rendimiento. A diferencia de los convertidores de conmutación dura, los convertidores resonantes programan sus transiciones de conmutación para que se produzcan cuando la tensión o la corriente no están presentes, lo que reduce las pérdidas de conmutación. La conmutación suave reduce en gran medida la pérdida de energía y la EMI, lo que se traduce en menos calor y mayor densidad de potencia. Si se imagina dos péndulos oscilando juntos casi sin fricción, ésa es la belleza del funcionamiento resonante.

El uso de métodos de conmutación suave permite aumentar la frecuencia de conmutación a cientos de kHz, lo que se traduce en fuentes de alimentación más pequeñas y ligeras. Los diseños actuales de fuentes de alimentación prestan especial atención a sistemas de realimentación potentes y métodos de control avanzados para mantener la estabilidad, reaccionar rápidamente a los cambios y protegerse contra sobrecorrientes, sobretensiones y problemas relacionados con el calor. Los circuitos de las SMPS se basan en estos sistemas de control, que suelen estar accionados por un oscilador y utilizar una tensión de referencia, para mantener el buen funcionamiento del sistema en cualquier situación.

Topologías innovadoras para un rendimiento máximo

El diseño de una fuente de alimentación conmutada determina su eficiencia, lo complicada que es y dónde debe utilizarse. Aunque el buck y el boost siguen siendo importantes, las necesidades actuales han llevado al desarrollo de arquitecturas de alimentación más avanzadas.

Un convertidor Buck es muy eficaz para reducir la tensión continua. Se utiliza un inductor para que la corriente sea más uniforme y gestionar la forma en que se suministra la energía. Por el contrario, un convertidor elevador aumenta la tensión, almacenando energía en el inductor al conectarse y liberándola después con la ayuda de un diodo y un condensador. Son fáciles de usar, fiables y se encuentran en muchos sistemas de potencia baja a media.

Para garantizar el control de la salida y el seguimiento de la red, muchos diseños modernos añaden ahora circuitos PFC activos. Modifican la forma de onda de la corriente de entrada para que sea la misma que la de la tensión, lo que ahorra energía y cumple la norma IEC 61000-3-2. Es muy importante en aplicaciones de alta potencia, sobre todo en países donde las normas de eficiencia energética son cada vez más estrictas.

El convertidor resonante LLC destaca especialmente en sistemas avanzados. Admite conmutación de tensión cero (ZVS), lo que casi elimina las pérdidas que se producen al conmutar. Es capaz de funcionar a frecuencias superiores a 100 kHz, lo que le confiere una eficiencia superior a 95%. Por este motivo, LLC se utiliza en sistemas pequeños y sensibles al calor, como cargadores de vehículos eléctricos y servidores empresariales, donde cada vatio y cada grado son importantes.

Cuando se necesita más potencia o que la corriente cambie de dirección, se utilizan circuitos de puente completo y medio puente. Los diseños de puente completo, en particular, son capaces de producir una salida de alta potencia con los cuatro interruptores trabajando juntos con precisión. Aunque son más complicados, aprovechan mejor los transformadores y permiten un mejor control de la tensión, lo que es importante para los accionamientos industriales y los sistemas de energías renovables.

La topología adecuada debe elegirse en función de la estrategia, no sólo de sus especificaciones. La decisión se guía por el rango de tensión, la cantidad de calor que puede soportar el dispositivo, el espacio disponible, las normas CEM y el presupuesto. Los ingenieros más cualificados utilizan sus conocimientos para ajustar el diseño al trabajo, asegurándose de que funciona bien y es práctico.

Selección de componentes para SMPS

Los componentes del diseño de SMPS son importantes porque determinan el funcionamiento del sistema, su eficiencia y su duración. Un pequeño error puede crear problemas que se extiendan y amenacen la estabilidad del sistema. Por este motivo, la elección de los componentes no debe ser aleatoria; debe ser una decisión bien meditada para todo el sistema.

Los semiconductores de potencia son el punto de partida de todo. Aunque los MOSFET de silicio siguen siendo muy utilizados, los dispositivos de GaN y SiC están transformando la forma en que se construyen los diseños modernos. Son capaces de conmutar más rápidamente, trabajar a temperaturas más altas y reducir enormemente las pérdidas. ¿Cuál es el resultado? Convertidores más pequeños, más fríos y más eficientes. Sin embargo, la decisión depende de cuánto voltaje, frecuencia y dinero esté dispuesto a sacrificar.

La magnética es a la vez la parte más importante y la más difícil de las SMPS. Es importante que los transformadores e inductores gestionen su respuesta a la frecuencia, el punto en que se saturan y el calor que producen. Si el núcleo no está bien diseñado, consumirá más energía y puede fallar. La mayoría de los diseños de alta frecuencia se basan en núcleos de ferrita y alambre Litz para superar el efecto piel. Cuando se aplican correctamente, garantizan un funcionamiento estable incluso con cargas cambiantes.

Los condensadores se encargan de filtrar, almacenar energía y mantener estable la tensión. La elección del condensador depende de si se necesita un rendimiento de alta frecuencia o un gran almacenamiento de energía. El ruido y la fiabilidad se ven afectados por la ESR, los valores nominales de corriente de rizado y la forma de colocar el condensador. Cuando el espacio y el ruido son importantes, se suele utilizar cerámica de baja ESR.

El CI del controlador se encarga de todo el sistema a nivel de sistema. Determina cómo conmuta el accionamiento, se ocupa de la protección y suele incluir funciones como el arranque suave y la gestión de fallos. Aunque hoy en día es más fácil diseñar circuitos integrados, sigue siendo necesario elegirlos cuidadosamente en función de su topología, método de control y diseño térmico.

Superar los retos del diseño de SMPS

Aunque las fuentes de alimentación conmutadas son muy eficientes, también causan muchos problemas de ingeniería y tienen varias desventajas. Para fabricar una SMPS fiable, hay que resolver problemas como la EMI, el calor, la estabilidad del bucle y la rápida respuesta transitoria.

La interferencia electromagnética suele ser el mayor reto al principio. Cuando la conmutación es rápida, el ruido de alta frecuencia resultante puede perturbar los circuitos cercanos o ir en contra de las normas de compatibilidad electromagnética. Para reducir las interferencias electromagnéticas (EMI), los ingenieros utilizan un diseño inteligente de la placa de circuito impreso, hacen los bucles de corriente lo más cerrados posible y añaden choques de modo común. Algunos diseños recurren a la conmutación suave para reducir el ruido procedente de la fuente.

Otro reto importante es la gestión del calor. Aunque el sistema sea 90% eficiente, el calor de la conmutación tiene que gestionarse de alguna manera. Por eso es importante utilizar un buen diseño, vías térmicas, disipadores y planificar el flujo de aire. Un sistema bien diseñado es cómodo y además ayuda a que los componentes duren más y el sistema sea más fiable.

Después, hay que comprobar la estabilidad del bucle de control. Cuando la compensación en un sistema de realimentación SMPS no es correcta, se puede experimentar una oscilación o una reacción lenta. Los diseñadores utilizan el análisis del diagrama de Bode y el ajuste del margen de fase para garantizar que la salida se regule de forma rápida y estable en condiciones cambiantes.

La respuesta transitoria es ahora más importante que antes, especialmente durante la fase de descarga. Las aplicaciones actuales, incluidos los accionamientos de motores y los sistemas digitales, necesitan un seguimiento rápido de la carga. Se necesita un bucle grande y condensadores de salida adecuados para proteger la tensión de cambios bruscos.

Herramientas avanzadas y simulación en el diseño de SMPS

Hoy en día, utilizar la intuición y probar las cosas por casualidad no es suficiente en el diseño de SMPS. Como estos sistemas son complejos y requieren un alto rendimiento, es necesario utilizar herramientas avanzadas y software de simulación. Con estos compañeros digitales, el proceso de diseño es más rápido, se necesitan menos prototipos caros y se comprueba el rendimiento de cada componente antes de soldarlo.

Herramientas como LTspice, PSPICE y PowerEsim de Infineon son importantes para la simulación de circuitos. Con estas herramientas, los ingenieros pueden diseñar el circuito SMPS completo, abarcando todos sus componentes, bucles de control y elementos parásitos. La simulación permite

• Verifica la funcionalidad: Debería funcionar según lo previsto con diferentes tensiones de entrada y cargas, y la tensión media de salida debería predecirse correctamente.
• Optimizar el rendimiento: Ajuste los valores de los componentes para asegurarse de que el circuito funciona eficazmente, da la tensión de salida deseada y es estable.
• Analice los peores escenarios: Pruebe el diseño en las condiciones más duras y peligrosas, difíciles de crear en la vida real.
• Predecir el comportamiento de la IEM: Algunas herramientas avanzadas pueden predecir la IEM, lo que ayuda a resolver el problema antes de que se convierta en tal. Para ello suele ser necesario examinar el diagrama de bloques que muestra todo el sistema.

Además de la simulación de circuitos, las herramientas de diseño de PCB son muy importantes. Las funciones de electrónica de potencia de los programas ECAD modernos incluyen opciones de vaciado de cobre para las vías de corriente, análisis térmico para detectar zonas calientes y herramientas de adaptación de impedancias. La disposición de una placa de circuito impreso es tan crucial como el esquema en el diseño de una SMPS, ya que afecta tanto a la eficiencia como a la EMI.

Además, muchas empresas del sector de semiconductores ofrecen herramientas de diseño en línea y diseños de muestra. Pueden ayudarle a iniciar el diseño aportando soluciones probadas y calculadoras para factores importantes como la corriente y la tensión del inductor, las redes de compensación y la tensión de los componentes. Ayudan mucho a los diseñadores, sobre todo cuando trabajan en aplicaciones típicas.

Soluciones SMPS a medida: Satisfacer sus necesidades

Uno de los aspectos más atractivos de la Diseño SMPS es su flexibilidad inherente. A diferencia de las soluciones de alimentación rígidas, de talla única, las SMPS pueden adaptarse meticulosamente para satisfacer los requisitos únicos y a menudo exigentes de diversas aplicaciones. En esta adaptabilidad reside la verdadera “ventaja energética” para muchas empresas.

Pensemos en la gran variedad de industrias que dependen de la energía especializada:

• Sistemas de control industrial: Requieren fuentes de alimentación robustas y muy fiables, capaces de funcionar en entornos difíciles, a menudo con amplios rangos de temperatura e inmunidad a transitorios.
• Productos sanitarios: Exige corrientes de fuga ultrabajas, certificaciones de seguridad estrictas (como IEC 606601-1) y una fiabilidad excepcional, incluidos requisitos de tensión constante, para garantizar la seguridad del paciente.
• LED Iluminación: Necesita fuentes de alimentación regulables de alta eficiencia con una excelente corrección del factor de potencia para maximizar la salida de luz y minimizar el consumo de energía.
• Electrónica de consumo: Prioriza la compacidad extrema, la alta densidad de potencia y la rentabilidad para la producción en masa.
• Nuevas aplicaciones energéticas (por ejemplo, carga de vehículos eléctricos, Energías renovables Inversores): Exige capacidades de conversión bidireccional de alta potencia, gestión térmica avanzada y sólidas funciones de protección.

Soluciones energéticas personalizadas adaptadas a su innovación

Cada situación exige unos requisitos diferentes que una fuente de alimentación normal no puede satisfacer tan bien como una personalizada. Aquí es donde OMCH realmente brilla.

Como fabricante líder de SMPS, OMCH (https://www.omch.com/switch-mode-power-supply/) ofrece algo más que una amplia variedad de productos estándar. Somos conscientes de que la verdadera innovación puede necesitar una solución personalizada. Somos expertos en diseñar soluciones energéticas a medida y trabajamos con nuestros clientes desde el inicio del proyecto hasta el final.

Si su proyecto necesita un tamaño determinado por motivos de espacio, tiene que ser energéticamente eficiente en diseños de alta potencia o requiere certificaciones de seguridad especiales, nuestro equipo puede encargarse de ello. Construimos y fabricamos productos SMPS que son exactamente lo que necesita, por lo que ofrecen el mejor rendimiento, fiabilidad y cumplen todos los requisitos. Nos aseguramos de que su solución de alimentación se adapte a su sistema, y no al revés. Esto es lo que hace especial a OMCH: potencia precisa, construida para sus nuevas ideas.

El futuro del SMPS: tendencias e innovaciones

El diseño de SMPS avanza a una velocidad nunca vista. Las futuras fuentes de alimentación serán menos voluminosas, más inteligentes y más eficientes. La densidad de potencia es el objetivo principal. Gracias al GaN y al SiC, ahora podemos introducir más potencia en áreas más pequeñas con menos pérdidas. Como resultado, se puede reducir el tamaño de los sistemas magnéticos y de refrigeración. Para lograr una eficiencia superior a 95%, es necesario utilizar circuitos resonantes cuidadosamente diseñados, mejores imanes y sistemas de control avanzados: cada pequeña mejora es muy importante a gran escala.

La IA y el ML están empezando a influir en la forma de gestionar la energía. Piense en los SMPS que pueden ajustarse solos, predecir cuándo pueden fallar y responder a los cambios en su entorno. Muchos diseños utilizan ahora control digital en lugar de analógico, lo que ofrece mayor precisión, capacidad de programación y diagnósticos detallados. Esto facilita mucho la personalización y puesta a punto de un vehículo.

La sostenibilidad es ahora más importante que nunca. Ahora, los diseñadores prestan atención al reciclaje y al impacto de sus productos desde el principio. En Omch no sólo observamos estas tendencias, sino que las incluimos en el desarrollo de nuestra próxima generación de productos SMPS. El futuro será eficiente, inteligente y muy compacto.