Conceptos básicos: ¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada?

Prefacio

Una fuente de alimentación conmutada, también llamada fuente de alimentación conmutada (SMPS), es un dispositivo electrónico basado en un regulador de conmutación que convierte la energía eléctrica de forma eficiente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales, que siempre están ajustando la tensión de entrada, las fuentes de alimentación conmutadas convierten la tensión de CA en tensión de CC con gran eficacia y velocidad, lo que resuelve el problema de la escasa eficiencia energética. Este tipo de fuente es imprescindible en dispositivos que van desde la electrónica de consumo hasta los sistemas industriales, y es una fuente de alimentación fundamental del mundo moderno.

Componentes fundamentales de una fuente de alimentación conmutada

Cada fuente de alimentación conmutada incluye varios componentes clave que trabajan juntos para convertir la energía de manera eficiente.

Rectificador

El rectificador realiza la conversión de CA a CC. En una fuente de alimentación conmutada (SPS) se suele emplear un puente rectificador, que está formado por cuatro diodos organizados en una configuración de puente. Esta disposición hace que la corriente fluya en una dirección aunque la entrada sea CA, convirtiendo así la CA en CC pulsante. La salida en esta etapa suele tener una fluctuación de alta frecuencia que tiene que ser suavizada aún más por los filtros posteriores.

Filtro de entrada o filtro EMI

El filtro de entrada o filtro EMI es el componente principal para suprimir las perturbaciones de alta frecuencia generadas por el rectificador, así como las producidas externamente. Estos filtros están formados por una mezcla de inductores y condensadores, en cuyo caso los inductores bloquean el ruido de alta frecuencia y los condensadores ayudan a suavizar la corriente de salida. Esta etapa es muy importante para mantener estable el sistema de alimentación y evitar interferencias con otros dispositivos electrónicos.

Condensador de entrada

El condensador de entrada se utiliza para almacenar la energía del proceso de rectificación. Su función principal es producir una fuente de CC estable para la fuente de alimentación. En caso de fluctuaciones en la frecuencia de la red o de un aumento repentino de la carga, el condensador puede suministrar energía inmediatamente para garantizar que la salida de potencia sea continua y estable, evitando así que las caídas de tensión afecten al rendimiento de la fuente de alimentación.

Transistor de conmutación (o MOSFET)

El transistor de conmutación que se utiliza en la fuente de alimentación es un MOSFET. Funciona encendiendo y apagando el circuito a una frecuencia muy alta determinada por el controlador PWM. El MOSFET es único en su capacidad de conmutar extremadamente rápido, completando en nanosegundos, y esta rápida acción de conmutación produce corrientes de pulso de alta frecuencia que son procesadas por el transformador, por lo que es la mejor opción para aplicaciones de alta potencia.

Controlador PWM (modulación por ancho de pulsos)

El controlador PWM se utiliza para regular la frecuencia de conmutación y la duración de cada conmutador (ancho de pulso) del MOSFET, controlando así con precisión el flujo de la corriente. El tamaño de los pulsos determina la cantidad de corriente media que pasa por el MOSFET y, en consecuencia, determina la estabilidad de la tensión y la corriente de salida. La tecnología PWM no sólo mejora la eficiencia de la fuente de alimentación, sino que también minimiza la producción de calor, un factor de gran valor cuando se trata de mantener la tensión de salida deseada.

Transformador

La corriente de alta frecuencia se suministra al transformador a través del controlador PWM y el MOSFET de forma coordinada. Una de las principales funciones del transformador es proporcionar transformación de tensión y aislamiento eléctrico. Transforma la corriente de impulsos de alta frecuencia en los niveles de tensión deseados, al tiempo que separa eléctricamente la entrada de la salida y mejora la seguridad del sistema. Esta configuración del transformador es fundamental para garantizar la uniformidad del rendimiento del equipo.

Salida Rectificador

El siguiente paso en este proceso es convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto lo hace el rectificador de salida después de que el transformador haya hecho su trabajo sobre la corriente. El rectificador de salida suele diseñarse también en disposición de puente para garantizar que sólo se permita una dirección del flujo de corriente, lo cual es una condición para la producción de una salida de c.c. estable a partir de la salida del transformador, que puede utilizarse para requisitos de tensión de entrada de c.c. con una variedad de valores.

Salida Filtro

El rectificador de corriente continua posterior a la salida también puede tener algunos impulsos de alta frecuencia y ruido. El filtro de salida, compuesto por inductores y condensadores, refina aún más los pulsos que puedan haber surgido anteriormente para producir una tensión de salida limpia y estable para los dispositivos conectados, garantizando una tensión constante para obtener el mejor rendimiento.

¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada?

Este es el diagrama de flujo que ilustra los sencillos pasos del funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada.

Entrar en la fase de rectificación

La etapa de conversión CA/CC es la primera etapa en la que la fuente de alimentación conmutada recibe corriente alterna de una fuente externa, por ejemplo, una toma de corriente. Esta CA es de naturaleza variable, ya que se compone de tensión positiva y negativa. La función del rectificador es convertir esta CA en corriente continua (CC) con la que puedan funcionar los dispositivos electrónicos. En la mayoría de las fuentes de alimentación, se utiliza un puente de diodos que contiene cuatro diodos, dispuestos en una configuración que permite una sola dirección del flujo de corriente, y así, igualar las oscilaciones de la CA en salida de CC pulsante. Esta etapa de rectificación puede verse en el diagrama de bloques de la figura 1, que es representativo de muchas fuentes de alimentación CA-CC o CC-CC.

Filtrado de entrada y filtrado EMI

Una vez corregida, la corriente continua pulsante arrastra, no obstante, fluctuaciones de alta frecuencia y ruido que pueden perturbar las unidades electrónicas. Este problema se resuelve con el filtro de entrada, a lo largo del cual suele instalarse el filtro EMI. Esta etapa consta de inductores que bloquean el ruido de alta frecuencia y condensadores para filtrar la CC pulsante y convertirla en una salida de CC más estable. Este filtrado es de gran importancia para evitar ruidos que, de lo contrario, pueden degradar el rendimiento y afectar a otros dispositivos electrónicos.

Conmutación

La etapa de conmutación es el corazón de la fuente de alimentación, que determina su funcionamiento. Consiste en un transistor de conmutación, normalmente un MOSFET, muy rápido y controlado por un controlador PWM (Pulse Width Modulation). Este patrón discontinuo del filtro de entrada de CC se convierte en pulsos de mayor frecuencia. El número y la duración de estos pulsos se sintonizan cuidadosamente para garantizar que la cantidad de energía transferida al transformador se regule correctamente, lo que permite un control preciso de la salida del convertidor. Las distintas configuraciones de los convertidores, como el convertidor hacia delante y el convertidor flyback, requieren diferentes estrategias de control.

Transformación y aislamiento

Una vez convertida en impulsos de alta frecuencia, la corriente continua se introduce en un transformador. El transformador cumple dos funciones principales: altera la tensión al nivel deseado, aumentándola o disminuyéndola en función de las necesidades del aparato, y presenta aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida, lo que mejora la seguridad. El transformador de alta frecuencia está diseñado para ser más compacto y eficaz en comparación con los utilizados en las fuentes de alimentación más antiguas que se ocupan de los campos magnéticos.

Salida Rectificación

En esta etapa, el transformador rectifica la corriente alterna de alta frecuencia a continua. Para ello se utiliza otro grupo de diodos en una disposición rectificadora, igual a la de la etapa de entrada pero adaptada al nivel de tensión tras la transformación. Con este fin, el convertidor CC-CC se utiliza para generar una salida de CC constante que los dispositivos electrónicos necesitan para funcionar, con el nivel de tensión deseado. El proceso de rectificación de la salida, también conocido como regulación de tensión constante, es crucial para convertir la CC de alta tensión procedente del transformador en la CC de baja tensión deseada para la salida.

Filtrado de salida

A pesar de que la CC de salida puede seguir teniendo pequeñas variaciones y algo de ruido residual incluso después de la rectificación. La etapa de filtrado tiene la capacidad de resolver estos problemas con condensadores e inductores combinados. Los condensadores se encargan de suavizar la tensión y los inductores de filtrar cualquier ruido de alta frecuencia, de forma que la salida de CC sea limpia, con una caída de tensión mínima y estable.

Retroalimentación y ajuste

La última etapa es un mecanismo de realimentación y corrección que supervisa continuamente la tensión de salida y realiza los ajustes necesarios para mantenerla estable. El bucle se cierra normalmente detectando la salida y enviando señales al controlador PWM, que ajusta en consecuencia el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Esta adaptación dinámica es un elemento fundamental para compensar cualquier cambio en la potencia o la tensión de entrada, mantener constante el rendimiento en distintas condiciones y gestionar adecuadamente los lazos de control y los circuitos de control.

Eficacia e interferencias electromagnéticas (EMI)

En una fuente de alimentación conmutada (SMPS), tanto la eficiencia como las interferencias electromagnéticas (EMI) son factores importantes que afectan al rendimiento y al diseño. He aquí un análisis detallado de cada uno de ellos:

Eficiencia de SMPS

La eficacia de un SMPS viene dada por la capacidad de convertir la potencia de entrada (normalmente CA) en potencia de salida (CC) con la menor pérdida de energía posible. La eficacia se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada, normalmente expresada en porcentaje:

Eficiencia(%) = (Potencia de entrada / Potencia de salida) × 100

Los factores clave que contribuyen a la alta eficiencia de los SMPS incluyen:

EMI en SMPS

EMI es el fenómeno que se produce cuando los campos electromagnéticos generados por la conmutación de alta frecuencia de la SMPS se solapan con el funcionamiento normal de los dispositivos electrónicos. Este fenómeno puede provocar la interferencia de otros dispositivos electrónicos cercanos, por ejemplo, un teléfono inteligente o una lavadora, y también se degrada el rendimiento de la fuente de alimentación. La regulación de la EMI es fundamental para el mantenimiento de los requisitos normativos y para ofrecer un funcionamiento correcto.

Las principales fuentes y soluciones para la EMI en SMPS incluyen:

• Transitorios de conmutación: El rápido cambio de corriente en elementos como transistores y diodos produce el ruido y los picos. La respuesta a estos problemas son los circuitos snubber, que absorben estos transitorios, y un diseño bien pensado para evitar las zonas de bucle donde estos transitorios pueden inducir EMI.
• Entrada y SalidaFiltros: Estos filtros, especialmente en el lado de entrada, proporcionan un escudo contra el ruido de alta frecuencia que proviene de la entrada de red y también evitan que el ruido procedente de la SMPS llegue a otros dispositivos. En el lado de salida, los filtros se utilizan para garantizar que la salida de CC sea pura y constante.
• Blindaje y puesta a tierra: Es importante asegurarse de que la fuente de alimentación está bien blindada y de que la toma de tierra se realiza correctamente, ya que estas prácticas pueden reducir en gran medida la emisión de ondas electromagnéticas.
• Selección y colocación de componentes: Utilizar piezas de baja inductancia y capacitancia parásitas y una colocación adecuada de los componentes puede ser un buen método de mitigación de la EMI.

En resumen, la eficiencia de la SMPS es una medida de su eficiencia de conversión de potencia, mientras que la gestión EMI consiste en minimizar las interferencias de ruido electromagnético que surgen durante su funcionamiento.

Mecanismos de seguridad en SMPS

Modos de fallo

Las fuentes de alimentación conmutadas se construyen con diferentes mecanismos de seguridad para gestionar posibles situaciones de fallo. Entre los más importantes se encuentran la protección contra sobretensión, la protección contra sobrecorriente y la desconexión térmica. Cada mecanismo tiene la capacidad de hacer frente a condiciones anormales particulares y, como tal, evita que la fuente de alimentación se dañe, así como el dispositivo conectado mediante la protección contra problemas tales como alta resistencia y resistencia parásita.

Precauciones

En lo que respecta a las precauciones de seguridad en las fuentes de alimentación conmutadas, también se tienen en cuenta una conexión a tierra adecuada y componentes con niveles de tensión y corriente apropiados, como puentes de diodos y condensadores de salida. Se recomienda realizar un mantenimiento y una inspección periódicos para garantizar que los dispositivos de seguridad siguen funcionando correctamente y gestionar la regulación de la tensión con eficacia.

¿Cuándo utilizar una fuente de alimentación conmutada?

Las SMPS (fuentes de alimentación conmutadas) son la forma dominante de convertidores de potencia debido a su alta eficiencia energética, que con frecuencia es superior a 90%. Son la elección más inteligente para aplicaciones que necesitan una conversión de potencia eficiente, compacta y ligera con un bajo aumento de temperatura. Se utilizan en todo tipo de aplicaciones, desde equipos industriales a gran escala hasta pequeños dispositivos portátiles que ya son un lugar común, como el típico teléfono inteligente con más de 10 chips SMPS. La elección de una fuente de alimentación conmutada, en concreto de chips SMPS, puede depender a menudo de la necesidad de eficiencia, de las limitaciones de espacio y de la capacidad de gestionar distintas demandas de potencia, como requisitos de alta potencia y baja resistencia.

• Sistemas industriales (por ejemplo, máquinas CNC, líneas de producción automatizadas)
• Aparatos de consumo (por ejemplo, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, etc.)
• Sistemas de energías renovables (por ejemplo, inversores solares, turbinas eólicas)

Conclusión

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) no sólo convierten la energía de forma eficiente con escasas pérdidas, sino que también se adaptan bien a distintas aplicaciones. Líder fabricantes de smps siguen innovando, proporcionando soluciones que satisfacen las crecientes demandas de los dispositivos modernos. Los SMPS utilizan conmutación de alta frecuencia y componentes avanzados para convertir la CA en CC con una pérdida de energía y una generación de calor mínimas. Para saber cómo beneficia esta eficiencia a la tecnología del mundo real, consulte para qué sirve una fuente de alimentación conmutada. Esto los hace superiores a los convertidores lineales de potencia tradicionales. A medida que evolucione la tecnología, los SMPS serán más eficientes, flexibles y pequeños, y satisfarán las crecientes necesidades de potencia de dispositivos como los smartphones y los coches modernos, al tiempo que desempeñarán un papel crucial en diversas aplicaciones industriales.

Preguntas frecuentes

¿Cómo gestiona un SMPS una alimentación de entrada de CA para producir una salida de CC estable?

El SMPS comienza con la rectificación de la alimentación de entrada de CA, que se convierte en CC pulsante mediante un rectificador. A continuación, esta CC se filtra mediante filtros y se convierte en la tensión de salida de CC deseada mediante reguladores de conmutación como los convertidores buck o boost. Este método garantiza una conversión de potencia eficaz con poca pérdida de potencia.

¿Cuál es el funcionamiento de un convertidor inductivo en una SMPS?

El convertidor inductivo de un SMPS almacena la energía en el campo magnético cuando el interruptor está encendido. Cuando el interruptor está apagado, la energía se envía a la salida. Este proceso controla la tensión regulando el ciclo de trabajo.

¿Cuáles son las principales desventajas de utilizar un convertidor inductivo en el diseño de una SMPS?

Respuesta: Los convertidores inductivos suelen ser más grandes y complejos que los diseños no inductivos, lo que contribuye a su mayor coste. También pueden dar lugar a más interferencias electromagnéticas (EMI), que pueden necesitar un filtrado adicional. Por el contrario, son adecuados para aplicaciones de alta potencia, en las que sus desventajas se ven compensadas por sus ventajas de rendimiento.