Una aplicación de energía exitosa requiere la consideración del nivel del sistema en el momento adecuado del ciclo de desarrollo. Este artículo de esta serie analiza el efecto de la carga en las especificaciones de la fuente de alimentación.
El mes pasado, presenté el tema “Perspectivas del sistema para especificar fuentes de alimentación electrónicas”. Este mes aprenderemos sobre el efecto de la carga en la designación de la fuente de alimentación.
El siguiente diagrama muestra una forma muy simplificada de una fuente de alimentación conectada a una carga simplificada. Los circuitos de retroalimentación y control miden el voltaje de salida, lo comparan con una referencia (no se muestra) y ajustan el voltaje de suministro para mantener un voltaje de carga constante. Este proceso no es perfecto y las especificaciones de la fuente de alimentación muestran desviaciones de la perfección. Las desviaciones de la perfección deben estar dentro de los requisitos exigidos por la carga para que funcione satisfactoriamente.
Importancia de entender la carga
La carga impone la mayoría de los requisitos de rendimiento de la fuente de alimentación. La fuente de alimentación nunca es una caja negra perfecta, es muy importante tratarla como una parte importante e integral del sistema. Varias medidas clave de rendimiento deben cumplir con las demandas impuestas por la carga. Los remedios más comunes se describen a continuación.
requisitos estáticos
Por lo general, a las cargas se les dan parámetros, ya sea voltaje, corriente o potencia, que deben controlarse dentro de ciertas tolerancias. Los otros dos parámetros no controlados se denominan parámetros de cumplimiento. Por ejemplo, se puede diseñar un subconjunto para operar con un voltaje de entrada controlado de 5 voltios. Cuando es excitado por un voltaje de entrada controlado de 5 voltios, el subensamblaje consume hasta 10 amperios y disipa hasta 50 vatios de potencia. Esto significa que la fuente de alimentación debe poder mantener un voltaje de salida de 5 voltios y entregar hasta 10 amperios de corriente. Esto se debe a que se consumirá un máximo de 10 amperios cuando la carga se excite con 5 voltios. En este caso, la potencia es igual al producto del voltaje y la corriente, por lo que la potencia es otra forma de expresar el cumplimiento.
Algunas cargas pueden requerir diferentes parámetros de control en diferentes momentos. Un ejemplo de ello es un cargador de batería que requiere una corriente constante en el modo de carga de la batería y un voltaje constante en el modo de mantenimiento de la batería.
Para que la carga funcione correctamente, los parámetros controlados deben estar dentro de ciertas tolerancias. La fuente de alimentación debe mantener los parámetros controlados dentro de la banda de tolerancia.
Estos parámetros se pueden expresar como valores medios, RMS o pico con modificadores de período.
requisitos dinámicos
Las cargas también exhiben características dinámicas que cambian con el tiempo.
transición de tiempo
Muchos tipos de cargas cambian su impedancia efectiva con frecuencia. Un ejemplo de esto podría ser una impresora de computadora que muestre cambios de paso rápidos en la impedancia efectiva. Para que dichos dispositivos funcionen correctamente, la fuente de alimentación debe poder entregar corriente de salida rápidamente mientras mantiene el voltaje de salida dentro de una banda específica. Esto significa que la fuente de alimentación debe tener suficiente capacitancia de salida y suficiente ancho de banda de bucle de control para mantener el voltaje de salida dentro de los límites especificados. Las cargas con este tipo de operación requieren una fuente de alimentación especificada para limitar la caída en el borde de ataque del pulso y recuperarse dentro de una banda específica de salida de estado estable durante un intervalo de tiempo determinado.
dependencia del voltaje
Una carga no lineal cambia su impedancia a medida que aumenta el voltaje. Un ejemplo es un circuito de estado sólido típico que consume muy poca corriente a voltajes bajos y la corriente aumenta rápidamente y de forma no lineal a medida que aumenta el voltaje.
Una configuración más problemática es conectar en cascada la fuente de alimentación a una segunda fuente de alimentación en un diseño de convertidor de conmutación. Un convertidor de conmutación tiene una característica de resistencia negativa no lineal. A voltajes de entrada muy bajos por debajo del umbral de encendido, la corriente puede ser insignificante. A medida que el voltaje de entrada aumenta hasta el umbral de encendido, la corriente de entrada atrae repentinamente una corriente muy grande. A medida que aumenta el voltaje de entrada, la corriente de entrada disminuye de acuerdo con las características de potencia constante. Sin prestar atención al diseño inicial de la fuente de alimentación y la longitud del cable, la carga (convertidor de conmutación) se encenderá y apagará debido a la caída de voltaje en la longitud del cable y/o la impedancia de salida de la fuente de alimentación.
dependencia de la frecuencia
La carga puede crear dependencias de frecuencia que no son evidentes para los usuarios no capacitados. Esta dependencia de la frecuencia tiene al menos dos formas.
- El comportamiento resonante puede ocurrir debido a la inductancia y la capacitancia tanto en la fuente como en la carga. Una fuente de alimentación puede resonar con la capacitancia o la inductancia de la carga si la fuente de alimentación no está diseñada correctamente para la carga. Esta resonancia generalmente ocurre a una frecuencia determinada por elementos reactivos en el sistema. Este efecto suele ser indeseable a menos que el sistema esté diseñado para ser resonante.
- El comportamiento del bucle de control de la fuente de alimentación puede verse afectado negativamente por la capacitancia y la inductancia de la carga. La presencia de una gran capacitancia o inductancia puede mover los polos y ceros del lazo de control, reduciendo o aumentando el ancho de banda de la fuente de alimentación, cambiando significativamente la respuesta transitoria y las capacidades de rechazo de ondulación de la fuente de alimentación.
dependencia de la temperatura
La carga debe operar en su entorno previsto. Las fuentes de alimentación para estas cargas a menudo necesitan operar en el mismo entorno. Estos entornos pueden ser benignos, como un laboratorio de pruebas, o duros, como la exploración de petróleo y gas en el fondo del pozo. La fuente de alimentación debe poder funcionar en el entorno de la carga. Alternativamente, el entorno de energía debe estar aislado de la carga para permitir una operación satisfactoria.
Próximos temas
Esta serie de artículos sobre la especificación de la potencia desde la perspectiva del sistema explora en detalle varios aspectos de los problemas a nivel del sistema. Algunos de estos aspectos cubiertos son:
- Caracterización de fuentes
- eficiencia
- ambiente térmico
- embalaje
Consulte nuestro próximo artículo sobre “Perspectivas del sistema para especificar fuentes de alimentación electrónicas”.