Fuentes de Alimentación Digitales vs Analógicas: Buscando el Equilibrio Adecuado
Las fuentes de alimentación han adoptado tecnología digital para ofrecer diferentes opciones de monitorización y funciones de control. No obstante, encontrar el equilibrio adecuado entre analógico y digital sin añadir mucho coste y complejidad puede ser complicado. Eso asegura Frank Bidwell, Director de Ingeniería de XP Power.
La efectividad del sistema, monitorizar su estado y la eficiencia energética requieren que las fuentes de alimentación estén controladas y monitorizadas. Aunque el concepto de hacer esto digitalmente ha estado presente desde hace tiempo, ya que los diseños finales son cada vez más complejos, muchos ingenieros están empezando ahora a analizar los beneficios que les aporta el incorporar control digital en sus sistemas.
A un ingeniero de I+D buscando métodos digitales de monitorización y control de una fuente AC/DC le puede atraer la posibilidad de acceso a un alto nivel de información con éstos, comparándolo con los analógicos, y también la habilidad para controlar la salida digitalmente. Sin embargo, estas funciones vienen a costa de la complejidad del sistema.
····
<<Domina la elección perfecta. Descarga la Guía Esencial de Fuentes de Alimentación AC-DC y DC-DC>>
···
Analógico vs Digital
El control digital, sin duda, ofrece un mayor nivel de flexibilidad. Las fuentes de alimentación se pueden encender y apagar de forma remota, se pueden establecer límites en las tensiones y corrientes de salida y habilitar alarmas. Las fuentes de alimentación digitales pueden proporcionar monitorización de datos, como temperatura, rendimientos del ventilador, etc que ayudan por ejemplo a prevenir fallos.
El control digital facilita también la calibración: los parámetros pueden ser programados en vez de ajustar un potenciómetro manualmente en una fuente analógica. En el lado contrario, el control digital completo de una fuente de alimentación implica muchos parámetros de funcionamiento y puede ser extremadamente complejo. Se requiere un DSP con software sofisticado, que puede ser difícil de implementar. 
Series EMH350 de 350W de XP Power
En comparación, el control analógico, después de utilizarse desde hace 50 años, es un método más que probado y correcto. Las fuentes analógicas son estables y menos propensas a fallos, a pesar de que tienen una flexibilidad limitada. Los parámetros se definen durante la fase de diseño y no se pueden cambiar después.
Mientras que el estado de la fuente se puede monitorizar, el control está por lo general limitado a una sola respuesta o reacción por parámetro; con una fuente digital, tenemos un rango amplio de escenarios de entrada con varias acciones posibles en base a éstos, aunque siempre limitada por la velocidad del procesador.
Encontrar el equilibrio
En un diseño típico, un PWM analógico controla la tensión de salida en tiempo real, y un microcontrolador la monitoriza y ajusta. La tarjeta de control digital puede crear artificialmente múltiples estados de operación combinando el control individual de parámetros y señales de estado, permitiendo un nivel más alto de flexibilidad que el control analógico. Este nivel de control se adapta a la mayoría de clientes que priorizan una solución rentable.
El control PWM analógico tiene la ventaja de eliminar ciertos tipos de inexactitudes que son inherentes a los diseños digitales. Por ejemplo, el muestreo de señales con un conversor AD para llevarlos al DSP, introducirá errores como no distinguir bien unas señales de otras. El utilizar un DSP para controlar la salida también introducirá variaciones e inestabilidad en la señal de PWM, que puede causar sub-harmónicos en la salida que conducen a problemas de EMC en la aplicación.
Utilizando un PWM analógico evita esto eficazmente. Sin embargo, ya que la frecuencia de conmutación del PWM se hace por hardware, ésta no se puede ajustar. Además, un control de lazo cerrado significa que éste no puede ser optimizado para diferentes condiciones sin cambiar componentes.
Comunicaciones
El protocolo de comunicación más utilizado para el control digital de las fuentes de alimentación es el PMBus, un estándard definido en la industria y claramente destinado a las fuentes “plug and play”, por lo que el interfaz con el equipo final puede ser diseñado sin ni siquiera “ver” a la fuente de alimentación.
Fuente de 225W EPL de XP
El interfaz PMBus también permite capacidad de monitorización: se puede disponer de las señales para la tensión y la corriente de salida, la temperatura y los bits de datos para las alarmas, que se pueden ajustar fácilmente con este interfaz. También se puede obtener información del modelo de fuente y el número de serie de la misma (muy útil en un sistema con muchas fuentes de alimentación) y el tiempo de trabajo también está disponible.
Si bien es perfectamente posible controlar una fuente de alimentación digital utilizando un bus CAN, o mediante Ethernet por ejemplo, esto requiere mucho más tiempo de desarrollo de un stack del protocolo para ser utilizado específicamente en cada aplicación. PMBus es mucho más sencillo. Cuenta con un interfaz relativamente simple (2 líneas de E/S), que puede ayudar a que el hardware sea más pequeño, y sólo hay tres capas en el stack del protocolo PMBus, frente a las 10 o 12 para una implementación con Ethernet. Por esta razón, los ingenieros de diseño que se encuentran en un apuro de tiempo, y los que no tienen mucha experiencia en redes suelen elegir el PMBus.
Fuente de 250W CHD de XP Power
Aparte de funciones de control y monitorización, utilizar el interfaz PMBus permite varias aplicaciones adicionales. La carga de baterías es un ejemplo, ya que la corriente y la potencia de salida están monitorizadas, se puede cargar una batería desde la fuente de alimentación sin la necesidad de un interfaz externo. Y la secuenciación de la potencia, también se puede implementar, utilizando una fuente con salidas múltiples, encendiendo o apagando en un tiempo determinado o en una secuencia determinada por la aplicación del cliente.
···
Aplicaciones reales
 |
| Tabla 1. La estructura de comandos del PMBus para la fuente GFR1K5 |
Un paso más avanzado en el control digital lo tenemos en las fuentes de alimentación series EMH de 250 a 350 Watios para equipos TI y médicos. Además del control y de la monitorización ofrecida por la anterior GFR1K5, esta fuente tiene la función de ajustar la tensión de salida un +/-10% de la tensión nominal (Vnom). La corriente de salida también se puede ajustar (50-110% del modo de corriente constante). Además puede monitorizar el estado del ventilador, para las versiones con el ventilador montado en la parte superior; el tacómetro se monitoriza, y si se ralentiza o se para, un bit asignado al ventilador cambiará su valor.
Hay pros y contras tanto para el control analógico como para el digital de las fuentes de alimentación, pero un controlador PWM analógico con un interfaz PMBus toma los beneficios de los dos, consiguiendo un equilibrio entre funcionalidad y coste.
Existen diferentes modos de “acceso” a la fuente de alimentación, pero el protocolo PMBus es el más utilizado y está especialmente diseñado para las fuentes y es por lo tanto el más fácil de implementar, al tiempo que ofrece acceso completo a todas la funcionalidades de una moderna fuente de alimentación AC/DC.
···
Más información sobre Sistemas de Alimentación
Venco Electrónica es proveedor de Sistemas de Alimentación y otros productos de Electrónica Industrial desde hace más de cuarenta años.
¿Estás pensando en añadir una fuente de alimentación a tu proyecto? Pregúntanos sin compromiso y nuestro especialista en Sistemas de Alimentación te aconsejará en la mejor solución para ti y si lo necesitas te asesorará durante el desarrollo del proyecto.
