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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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(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
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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
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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
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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!
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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.
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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
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Alimentación de un microprocesador
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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
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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
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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)
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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
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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: