Introducción a las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)

Fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) son bastante complejas en comparación con las fuentes de alimentación reguladas lineales. Pero esta complejidad se traduce en una fuente de CC estable y regulada que puede suministrar energía de forma más eficiente para un tamaño, peso y coste determinados. Este artículo es el primero de una serie sobre fuentes de alimentación conmutadas, sus distintas topologías, ventajas y aplicaciones.

Introducción: Fundamentos de la conversión de potencia

Una fuente de alimentación toma energía no regulada y la convierte en energía estable y regulada. Por lo general, los equipos electrónicos se alimentan mediante fuentes de CC de baja tensión, cuya fuente será una batería, una combinación de batería y convertidor CC/CC o una fuente de alimentación que convierte la red de CA en una o varias fuentes de CC de baja tensión.

Una fuente de alimentación es un elemento importante en el proceso de conversión de energía. Casi todos los equipos electrónicos necesitan una fuente de alimentación de CC que esté bien regulada, tenga características de bajo ruido y proporcione una respuesta rápida a los cambios de carga. Algunas fuentes de alimentación también proporcionan aislamiento de la entrada a la salida para mayor seguridad y protección contra transitorios.

Existen dos tipos de fuentes de alimentación reguladas: fuentes de alimentación reguladas lineales y fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Hablaremos principalmente de los SMPS, pero una rápida comparación de los dos tipos proporcionará algo más de contexto.

Fuente de alimentación lineal frente a SMPS

Las principales ventajas de una SMPS son la eficiencia, el tamaño y el peso. Una fuente de alimentación lineal contiene un transformador de red y un regulador disipativo en serie. Esto significa que la fuente tiene transformadores de 50/60 Hz extremadamente grandes y pesados y una eficiencia de conversión de potencia muy pobre, lo que supone serios inconvenientes.

El diseño de las fuentes de alimentación conmutadas es bastante complejo en comparación con las fuentes de alimentación reguladas lineales. Sin embargo, esta complejidad en el diseño da como resultado una fuente de CC estable y regulada capaz de suministrar más potencia de forma eficiente para un tamaño, peso y coste determinados.

Al utilizar altas frecuencias de conmutación, el tamaño de los componentes magnéticos y los componentes de filtrado asociados en la SMPS se reducen significativamente en comparación con la fuente de alimentación lineal. Por ejemplo, una SMPS que funciona a 20 kHz produce una reducción de 4 veces en el tamaño de los componentes, y esto aumenta a unas 8 veces a 100 kHz y más. Esto significa que un diseño SMPS puede producir fuentes muy compactas y ligeras. Hoy en día, éste es un requisito esencial para la mayoría de los sistemas electrónicos.

Visión general del SMPS

Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan dispositivos de conmutación de alta frecuencia para transferir la energía eléctrica de la fuente a la carga de forma muy eficiente. La acción de conmutación se controla mediante modulación por ancho de pulsos (PWM) y la regulación de la tensión se consigue variando el ciclo de trabajo de la PWM.

A medida que los equipos electrónicos se hacen más y más pequeños, el mercado exige que los convertidores de potencia hagan lo mismo. Desde la introducción de las técnicas conmutadas, el proceso ha sido más evolutivo que revolucionario. Dado que el mercado mundial es una realidad, las fuentes de alimentación funcionan con amplios rangos de entrada para cubrir las variaciones de la red de CA en todo el mundo.

Circuito SMPS básico

• Rectificador de entrada y filtro: Se utiliza para convertir una entrada de CA en CC. Una SMPS con entrada de CC no necesita esta etapa. El rectificador produce CC no regulada que pasa a través del circuito de filtrado.
• Inversor: La etapa de inversor convierte la CC (ya sea directamente de la entrada o de la etapa de rectificador) en CA haciéndola pasar por un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeño con pocos devanados a una frecuencia de 10 a pocos 100s de KHz.
• Transformador de conmutación: Si se desea aislar la salida de la entrada, el SMPS utiliza un transformador de alta frecuencia como aislante entre el elemento de conmutación y la salida. Este convierte la tensión hacia arriba o hacia abajo al nivel de salida requerido en su devanado secundario.
• Rectificador y filtro de salida: Convierte la salida de CA en CC.
• Reglamento: El circuito de realimentación controla la tensión y la corriente de salida y las compara con la tensión y la corriente de referencia para mantener la tensión de salida regulada/constante.

Topologías SMPS

Los circuitos SMPS contienen redes de transformadores, inductores de almacenamiento de energía y de filtrado, condensadores e interruptores y rectificadores electrónicos de manejo de potencia. Su disposición particular se denomina topología.

Un SMPS reduce el tamaño y mejora la eficiencia aumentando la frecuencia de funcionamiento. Como contrapartida, aumenta el rizado y el ruido (EMI conducida y radiada) en la salida, que hay que controlar.

Factores que deben tenerse en cuenta al seleccionar una topología para una aplicación concreta:

• ¿Es necesario el aislamiento dieléctrico de entrada-salida?
• ¿La tensión de salida es superior o inferior a todo el rango de la tensión de entrada?
• ¿Se necesitan varias salidas?
• ¿La topología prevista somete a los semiconductores de tensión a una tensión razonable?
• ¿La topología prevista somete a los semiconductores de tensión a un esfuerzo de corriente razonable?
• ¿Cuál es la tensión máxima aplicada en el primario del transformador y cuál es el ciclo de trabajo máximo?
• ¿Cuál es la potencia máxima?

Tipos de SMPS

Las SMPS pueden clasificarse en dos tipos en función de la topología del circuito: convertidores no aislados y convertidores aislados.

• Convertidores no aislados: la fuente de entrada y la carga de salida comparten una trayectoria de corriente común durante el funcionamiento y la energía se transfiere a través de elementos de almacenamiento de energía (inductores y condensadores).
• Convertidores aislados: la energía se transfiere a través de componentes magnéticos mutuamente acoplados (transformadores), en los que el acoplamiento entre la alimentación y la carga se consigue únicamente a través de un campo electromagnético, lo que permite el aislamiento galvánico entre la entrada y la salida.

En la mayoría de las aplicaciones, la topología SMPS contiene un transformador de potencia para proporcionar aislamiento, escalado de tensión a través de la relación de vueltas y la capacidad de proporcionar múltiples salidas. Sin embargo, existen topologías no aisladas, como los convertidores buck, boost y buck-boost, en las que el procesamiento de potencia se consigue únicamente mediante la transferencia de energía inductiva.

En la tabla siguiente se indican los niveles típicos de potencia máxima de salida de las distintas topologías.

Métodos de conmutación

La operación de conmutación puede ser ’dura’ o ’suave’.

Conclusión

A pesar de ser comparativamente complejas, las fuentes conmutadas son cada vez más populares por su tamaño, peso y eficiencia.

En nuestro próximo artículo analizaremos más detenidamente convertidores no aislados y sus aplicaciones.