Simplificar el diseño de energía discreta

Durante décadas, la forma más rápida de añadir un carril aislado a un diseño ha sido incluir un módulo CC/CC completamente empaquetado, y para muchos proyectos esa sigue siendo la decisión correcta. Un módulo oculta el transformador, el controlador de conmutación y la red de retroalimentación tras un único número de pieza, y se envía ya certificado y caracterizado. Sin embargo, la comodidad tiene un costo, en el precio unitario en volumen, en el espacio de placa fija y, en el espacio limitado en el que se debe ajustar el convertidor a los objetivos exactos de carril, ondulación y eficiencia. Cuando alguna de esas restricciones se convierte en un obstáculo, la construcción de la etapa aislada a partir de componentes discretos resulta una opción atractiva, y ese es el camino que, por lo general, ha supuesto la mayor exigencia a la ingeniería.

RECOM Power está abordando esa exigencia directamente ampliando más allá de las fuentes modulares hacia soluciones de energía discretas, emparejando sus propios circuitos integrados de potencia con transformadores SMD preprobados y emparejados, permitiendo montar un convertidor aislado personalizado sin empezar de cero.

La adaptación del transformador es la parte más complicada

La principal razón por la que diseñar su propia etapa aislado resulta complicado se debe, en definitiva, al transformador. Es el elemento central del convertidor, y hacerlo bien implica reconciliar una lista de parámetros que interactúan. Por ejemplo, están las relaciones de transformación que determinan su tensión de salida, la inductancia de magnetización que rige el comportamiento de conmutación, la inductancia de fuga que provoca picos en el voltaje de excitación y pérdidas en el amortiguador, el margen de saturación que mantiene el núcleo lineal bajo la corriente máxima, y las distancias de fuga, de separación y de aislamiento que determinan si el componente cumple con su clasificación de aislamiento.

Un CI controlador que funciona perfectamente bien con un transformador puede comportarse mal con otro cuya inductancia de fuga o punto de saturación difiere, lo que lleva a los ingenieros a dedicar mucho tiempo a caracterizar transformadores potenciales, construir prototipos y validar el emparejamiento a través de la línea y la carga antes de confiar en él. Además, si se añade además el suministro multiproveedor, donde el CI proviene de un proveedor y los magnéticos de otro, la programación y el riesgo aumentan aún más. Este es el dilema que RECOM elimina de su proceso de adquisición al validar la combinación de CI y transformador.

Un enfoque de fuente única y previamente validado

En lugar de realizar pruebas de compatibilidad de un controlador con un transformador de características desconocidas, se puede optar por una combinación que RECOM ya haya probado, lo que reduce el riesgo de incompatibilidad, simplifica la lista de materiales (BOM) y acorta el ciclo de validación.

El programa de integración de sistemas y soluciones de RECOM es muy flexible. Usted puede adquirir un CI o un transformador por separado, un conjunto de CI y transformador ya emparejados, o una solución discreta totalmente personalizada para una producción de mayor volumen, superior a 50.000 unidades. Esto permite que tanto un prototipo como un producto maduro y optimizado en cuanto a costos se basen en los mismos componentes básicos ya conocidos, lo que hace posible que un diseño pase del banco de pruebas a la línea de producción sin necesidad de rediseñarlo.

Los circuitos integrados del controlador y del rectificador

La gama de productos de RECOM se estructura en torno a dos series de circuitos integrados de potencia, que se dividen entre controladores de transformador del lado primario y rectificadores del lado secundario. En el lado primario, la serie RVP ofrece controladores de transformador no regulados para topologías push-pull y de puente completo, integrados en un paquete compacto con funciones de temporización y supervisión de sobrecorriente integradas, lo que permite un diseño con un número reducido de componentes, por lo que resultan adecuados para convertidores aislados de bucle abierto en los que el costo es un factor determinante. También en el lado primario, la serie RVPW gestiona topologías flyback y está disponible con un conmutador integrado o con una salida de compuerta para un MOSFET externo. Proporcionan una disposición de retroalimentación versátil con tres modos seleccionables: regulación primaria que monitoriza la forma de onda primaria y evita el optoacoplador por completo, regulación secundaria que utiliza retroalimentación optoacopladora para mantener el aislamiento, y monitorización directa en corriente continua para uso no aislado.

Figura 1: Series RVP y RVPW. (Fuente de la imagen: RECOM)

Merece la pena detenerse en la regulación del lado primario, ya que el optoacoplador es un punto débil común de fiabilidad y precisión en suministros aislados; su relación de transferencia de corriente se desvía con la temperatura y envejece a lo largo de la vida útil del producto, por lo que regular en el lado primario elimina un componente problemático.

En el lado secundario, la serie RVS ofrece rectificación sincrónica en tres variantes. La variante RVS ofrece rectificación básica mediante un rectificador de puente totalmente integrado en un paquete compacto; la variante RVSY es un controlador de rectificación síncrona de alto rendimiento que acciona un MOSFET externo, ya sea en el lado alto o en el lado bajo; y la variante RVSW añade control bidireccional y conmutación para la carga y descarga de celdas de batería, tal y como se muestra en el modelo RVSW013 (Figura 2). La rectificación síncrona sustituye la caída de tensión continua de un diodo por la baja resistencia en estado conducido de un diodo de MOSFET, lo que permite que estas etapas recuperen la eficiencia que, de otro modo, se perdería en forma de calor en la salida del rectificador.

Figura 2: Serie RVSW013. (Fuente de la imagen: RECOM)

Transformador monolítico adaptado para montaje en superficie

Dado que la elección del transformador es tan importante, RECOM ofrece una gama estándar de transformadores subminiatura monolíticos de montaje superficial, seleccionados para adaptarse a estos controladores. La familia RMR abarca componentes toroidales subminiatura de 1 W y 2 W para configuraciones push-pull y puente completo, con valores nominales de aislamiento que van desde 1,5 kV_CC hasta 4,5 kV_CC, mientras que los modelos RMR-018, RMR-028 y RMR-031 elevan ese valor a un nivel mejorado de 5 kV_CA, con mayores distancias de fuga y de aislamiento para diseños que requieren una mayor separación. Para los diseños flyback, la familia RBE ofrece transformadores de bobina con potencias comprendidas entre 6 W y 30 W, adaptados al controlador RVPW, con una tensión de aislamiento mínima de 1,5 kV_CC. Para aquellas aplicaciones que requieran un aislamiento aún mayor, el modelo RPE-021 de RECOM amplía el aislamiento hasta los 4,3 kV_CA.

En toda la gama, los transformadores soportan transductores flyback, push-pull y puente completo que abarcan de 1 W a 30 W, con aislamiento que soporta hasta 5.000
V_CA. Pueden soportar una temperatura máxima de reflujo de hasta 250 °C durante un máximo de diez segundos y resistir dos ciclos de reflujo. En caso de que un componente estándar no sea suficiente, RECOM ofrece transformadores a medida, siempre que se alcance una cantidad mínima de pedido.

Adaptar la solución al nivel de potencia

Ayuda a mantener los niveles de potencia claros cuando se especifica un diseño. Un controlador del lado primario RVP, combinado con un rectificador síncrono RVS, permite una conversión CC/CC aislada de hasta aproximadamente 10 W, lo que resulta adecuado para sistemas compactos de punto de carga y líneas auxiliares, mientras que la gama más amplia, basada en el controlador flyback RVPW y el transformador RBE, alcanza los 30 W para necesidades de alta potencia. Estos circuitos integrados admiten grados de aislamiento que van desde el funcional hasta el reforzado, por lo que la misma filosofía de diseño modular sirve tanto para barreras funcionales básicas como para la separación más estricta que requieren los equipos críticos para la seguridad. Estos circuitos integrados son adecuados para un amplio rango de aplicaciones, desde el ámbito industrial, fabril y de la automatización de edificios hasta la generación de energía, la distribución de energía, las pruebas y mediciones, y las infraestructuras de telecomunicaciones, todos ellos entornos en los que se requiere una conversión compacta, escalable y aislada.

Conclusión

El diseño de fuentes de alimentación discretas ya no requiere montar y validar una etapa aislada completamente por su cuenta. Al emparejar circuitos integrados de potencia caracterizados con transformadores emparejados, y ofreciéndolos individualmente, como conjuntos o como conjuntos personalizados, RECOM le permite elegir el nivel de integración que se adapte a su proyecto y a su volumen de producción.

Para información adicional sobre los circuitos integrados de potencia actuales de RECOM, familias de transformadores y soluciones discretas relacionadas, por favor visite el producto destacado de Soluciones de Energía Discreta de RECOM.