Conceptos básicos de una fuente de alimentación conmutada

Prefacio

Los circuitos SMPS (Switch Mode Power Supply) son un elemento esencial en los dispositivos electrónicos modernos, se utilizan para convertir la energía eléctrica de una fuente de alimentación en la forma más eficiente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales constantes, los circuitos SMPS controlan la tensión de salida encendiendo y apagando rápidamente una serie de transistores de potencia. Estos mecanismos de conmutación rápida confieren a los circuitos SMPS la capacidad de lograr un alto rendimiento, un tamaño reducido y una baja disipación de calor, lo que los hace adecuados para muchas aplicaciones, por ejemplo, teléfonos móviles y equipos industriales.

Componentes básicos de SMPS

Las partes principales del circuito SMPS son el rectificador, el condensador de filtro, el transistor de conmutación, el inductor y el circuito de control. El rectificador transforma la tensión de entrada de CA de la red o de un transformador en CC. El condensador de filtro suaviza las ondulaciones de la tensión. El transistor de conmutación (MOSFET) es el elemento principal del circuito que controla el flujo de corriente y el inductor almacena y libera energía durante el proceso de conmutación. El circuito chopper, también llamado convertidor de alta frecuencia, es un circuito electrónico que conecta y desconecta el transistor de conmutación a varios kHz. El circuito de control regula la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo para mantener constante la tensión de salida.

¿Cómo funciona el SMPS?

Los circuitos SMPS funcionan mediante el uso de la conmutación rápida del transistor que se realiza a una alta frecuencia normalmente en el rango de kHz. En el estado encendido, la energía se mantiene en el inductor y en el estado apagado, esta energía se transfiere a la carga de salida. El ciclo de trabajo de la señal de conmutación puede ajustarse, lo que a su vez permite regular la tensión de salida. Este proceso permite a los circuitos SMPS lograr la conversión de alta eficiencia de la potencia de entrada (PIN) a la tensión de salida deseada con las menores pérdidas de potencia y características de corriente posibles.

Ventajas de utilizar un Interruptor Modo FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Interruptor Modo FUENTE DE ALIMENTACIÓN Circuito

Proceso de trabajo

El proceso de funcionamiento de un circuito SMPS implica varias etapas clave. Se proporcionará un diagrama de circuito detallado que ilustra estas etapas.

1. Entrada Filtrado y rectificación

• Tensión de red de CA y EMI Filtrado: El primer paso del circuito de la fuente de alimentación conmutada (SMPS) es la tensión principal de CA (110 V o 230 V CA) que se filtra mediante un filtro de interferencias electromagnéticas (EMI). Este filtro consta de inductores (bobinas) y condensadores que eliminan el ruido de alta frecuencia de la red eléctrica de CA, evitando así que la SMPS devuelva ruido eléctrico a la red.
• PuenteRectificador y Condensador de Alisado: A continuación, la tensión alterna filtrada pasa por un puente rectificador, que es una configuración de cuatro diodos que transforma la tensión alterna en una tensión continua pulsante. Por ejemplo, una entrada de 230 V CA será de 325 V CC después de la rectificación. La función principal de la gran capacitancia electrolítica es suministrar una tensión continua estable suavizando la tensión continua pulsante que se utiliza para alimentar la siguiente etapa del circuito SMPS.

2. Conmutación y aislamiento de transformadores

• PWM Controlador: El IC controlador PWM, por ejemplo el TL494, genera señales PWM de alta frecuencia, normalmente entre 20 kHz y 100 kHz, que se envían a la puerta del transistor de conmutación, normalmente un MOSFET.
• Transistor de conmutación (MOSFET): A continuación, el MOSFET conmuta la tensión continua rectificada, produciendo impulsos de corriente alterna a alta frecuencia. La frecuencia y la duración de la conmutación on/off se regulan mediante el PWM del controlador, que determina el flujo de potencia a la salida.
• Transformador de alta frecuencia: El devanado primario de un transformador de alta frecuencia se alimenta con impulsos de CA de alta frecuencia que realizan dos funciones cruciales: el aislamiento entre el lado de entrada de alta tensión y el lado de salida de baja tensión y la conversión de subida o bajada de tensión para ajustarse al nivel de salida requerido.

3. Salida Rectificación y filtrado

• SecundariaRectificador Diodos: En el secundario del transformador, los diodos rectificadores de alta frecuencia se encargan de convertir los impulsos de CA de alta frecuencia en tensión continua. Estos diodos deben ser capaces de soportar altas tensiones inversas y tener un tiempo de recuperación rápido para funcionar eficazmente a altas frecuencias.
• Filtro Inductor y Condensador: Los diodos rectificadores proporcionan la tensión continua, que se suaviza mediante un inductor de filtro y un condensador. Durante el estado activado del MOSFET, el inductor almacena energía y la descarga durante el estado desactivado, permitiendo que la corriente fluya continuamente hacia la carga. A continuación, el condensador de filtro suaviza la tensión continua, dando como resultado una salida estable.
• Tensión CC de salida: La tensión de salida final es simplemente el producto de la relación de vueltas del transformador y el ciclo de trabajo de la señal PWM. A modo de ejemplo, si la tensión de salida necesaria es de 12 V CC, el bucle de realimentación garantizará que esta tensión sea lo más estable posible en diferentes condiciones de carga.

4. Retroalimentación y regulación de tensión

• Retroalimentación del optoacoplador: La tensión de salida regulada se proporciona a través de un bucle de realimentación optoacoplador, que se utiliza para garantizar la estabilidad y precisión deseadas. La regulación se realiza mediante el regulador en derivación TL431, ya que la tensión de salida es muestreada por la red divisora de tensión en el lado de salida y luego comparada con una tensión de referencia. El optoacoplador TL431 en el circuito regula el brillo del LED; si la tensión de salida es demasiado alta, el LED brilla más y la señal más fuerte viaja a través del fototransistor en el lado primario.
• PWMCiclo de trabajo Control: El controlador PWM IC funciona con la retroalimentación del optoacoplador y determina el ciclo de trabajo de la señal de conmutación según la retroalimentación y, a su vez, determina la cantidad de energía suministrada al lado secundario, manteniendo estable la tensión de salida.

5. Circuitos de protección

• Protección contra sobrecorriente: La protección contra sobrecorriente la proporciona una resistencia sensora de corriente que se coloca en serie con el drenaje del MOSFET y, si la corriente supera el límite establecido, el controlador PWM apaga el MOSFET para evitar daños mayores.
• Protección contra sobretensión: La protección contra sobretensión se consigue mediante un bucle de realimentación, es decir, si la tensión de salida está por encima del nivel deseado, el controlador disminuye el ciclo de trabajo y, a continuación, la tensión de salida.

Resumen del proceso de trabajo

• Etapa de entrada: Tensión de red de CA → Filtro EMI → Rectificador de puente → Condensador de filtro → Tensión de CC.
• Etapa de conmutación: Controlador PWM → MOSFET → Transformador → Impulsos de CA de alta frecuencia.
• Etapa de salida: Diodos rectificadores → Condensadores de filtro → Tensión de salida de CC.
• Bucle de retroalimentación: Divisor de tensión → Regulador TL431 → Optoacoplador → Controlador PWM.

Consideraciones sobre el diseño

Las consideraciones de diseño de las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) incluyen varios aspectos clave que garantizan su funcionamiento eficaz y estable:

• Selección de topología: El tipo de topología del convertidor (buck, boost, flyback, etc. ) es la elección más importante en función de la tensión de salida y las necesidades de potencia. Esto se traduce en un cambio de la complejidad y la eficiencia del circuito.
• Elección de componentes: La elección de componentes como MOSFET, diodos, condensadores e inductores es muy crucial. La selección de estos elementos debe hacerse de forma que soporten la carga prevista y se minimicen las pérdidas y las interferencias electromagnéticas (EMI).
• Circuitos de control y PWM: Los circuitos de control y los controladores PWM deben utilizarse adecuadamente para garantizar que la regulación de la tensión y el control de la frecuencia sean precisos. Ambos son cruciales para que la fuente de alimentación pueda adaptarse a cargas variables.
• Mecanismos de protección: La protección térmica, de sobretensión y de sobrecorriente garantiza la seguridad de la SMPS y de los dispositivos conectados frente a posibles daños, lo que a su vez mejora la fiabilidad de la fuente de alimentación.
• Eficiencia y factor de potencia: El factor de potencia y la eficiencia de conversión de la energía son los factores cruciales para reducir el derroche energético y el cumplimiento de la normativa, sobre todo al convertir de la red de CA a una salida de CC estable.
• Gestión del IME: La clave para evitar interferencias de otros dispositivos electrónicos y cumplir las normas internacionales es optimizar el diseño para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI) mediante un diseño, blindaje y selección de componentes adecuados.

Problemas comunes y soluciones del diseño de SMPS

Los diseños de SMPS suelen enfrentarse a varios problemas comunes. Un problema habitual es una mala regulación de la tensión, que suele deberse a un bucle de realimentación inestable o a una selección inadecuada de los circuitos de control. Esto puede solucionarse utilizando optoacopladores de alta calidad y resistencias de precisión en la red de realimentación. Además, las interferencias electromagnéticas (EMI) son otro problema causado por la conmutación de alta frecuencia, por lo que se necesitan técnicas adecuadas de diseño de placas de circuito impreso, filtros EMI y blindaje para minimizarlas. Además, la gestión térmica es muy importante, ya que la conmutación de alta frecuencia genera calor que puede provocar averías. Los disipadores de calor, las almohadillas térmicas y la ventilación son los medios para resolver este problema. Por último, el fallo de los componentes por sobretensión y sobrecorriente se previene con circuitos de protección y componentes con los valores nominales adecuados.

Conclusión

En el futuro, los diseños de SMPS se centrarán en una mayor eficiencia, compacidad e inclusión de nuevas funciones. La aparición de los semiconductores GaN (nitruro de galio) y SiC (carburo de silicio) es un gran paso adelante, que permite velocidades de conmutación más rápidas y una menor generación de calor. Esto da pie a la producción de fuentes de alimentación pequeñas y muy eficientes con bajas interferencias electromagnéticas (EMI).

Preguntas frecuentes

¿Qué papel desempeña el convertidor Boost en el diseño de SMPS?

En los SMPS, el convertidor elevador se utiliza para aumentar la tensión de entrada de CC hasta una tensión de salida superior almacenando energía en el campo magnético del inductor cuando está encendido y liberándola a la salida cuando está apagado. Este circuito es ideal para aplicaciones que requieren una mayor tensión de salida para poder alimentar dispositivos analógicos e inversores.

¿Cómo funciona un convertidor Buck en un circuito SMPS y cuáles son sus ventajas?

El convertidor Buck del circuito SMPS se encarga de regular la tensión de entrada de CC a una tensión más baja encendiendo y apagando repetidamente el MOSFET, creando una onda cuadrada que carga el inductor y el condensador de salida. El regulador garantiza una tensión estable con un alto rendimiento. Es un elemento muy útil en electrónica de potencia por su sencillez y sus características de corriente estable.