Universidad de Oviedo Leccin 9 Arquitecturas de sistemas

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Universidad de Oviedo Lección 9 Arquitecturas de sistemas de alimentación Diseño de Sistemas Electrónicos

Universidad de Oviedo Lección 9 Arquitecturas de sistemas de alimentación Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Introducción • Para alimentar un equipo electrónico (o un

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Introducción • Para alimentar un equipo electrónico (o un sistema más complejo compuesto por varios sub-equipos) suelen ser necesarias varias tensiones de alimentación: +5, +12, -12 etc. • Para conseguir suministrar estas tensiones siempre hay múltiples opciones y en cada caso será necesario estudiar cuál es la mejor • Hay varias opciones básicas: - Convertidores independientes - Conexión de varias etapas en cascada - Uso de convertidores multisalida • También es necesario tener en cuenta cómo distribuir la energía por el sistema. Existen dos posibilidades: - Alimentación concentrada: existe un único punto de conversión de la energía eléctrica al formato final que necesitan las cargas - Alimentación distribuida: conversión de la energía eléctrica al formato final que necesita cada carga se realiza junto a ella

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Conexión de varias etapas en cascada Es un sistema

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Conexión de varias etapas en cascada Es un sistema sencillo para poder alimentar equipos que necesiten de varias tensiones distintas. También es útil para conseguir mejorar determinadas características globales, que se van atribuyendo a cada uno de los convertidores conectados en cascada Vg V 1 CC/CC 2 V 2 • Si CC/CC 1 es el convertidor principal, CC/CC 2 es un “posregulador” (caso habitual en sistemas multisalida). Puede ser incluso un regulador lineal • Si CC/CC 2 es el convertidor principal, CC/CC 1 es un “prerregulador” (caso habitual en conversiones “difíciles”) • Al ser dos convertidores completos e independientes, es interesante minimizar su complejidad (uno de ellos puede carecer de aislamiento galvánico)

Conexión de varias etapas en cascada Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Ejemplos Alimentación de

Conexión de varias etapas en cascada Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Ejemplos Alimentación de sistemas de potencias por encima de 500 - 700 W con corrección de factor de potencia Vg CA/CC 1 400 V CC/CC 2 • Elevador con CFP • Convertidor con aislamiento • Sin aislamiento • Circuito de control independiente • Tensión universal • Tensión de entrada casi fija • Buen rendimiento • Cumple IEC 61000 -3 -2 En este caso el convertidor de entrada (front-end) es un preregulador

Conexión de varias etapas en cascada Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Ejemplos • Sistema

Conexión de varias etapas en cascada Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Ejemplos • Sistema digital que necesita dos tensiones bajas en las tarjetas: 5 V y 3, 3 V • La tensión de entrada de 48 V (habitual en telefonía fija) 48 V 5 V CC/CC 1 • Convertidor directo con enclavamiento activo y rectificación síncrona autoexcitada CC/CC 2 3, 3 V • Proporciona aislamiento • Reductor síncrono • Buena dinámica • Muy buen rendimiento (tensión de salida cercana a la de entrada) • Buen rendimiento • Buena dinámica

Convertidores multisalida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Es una opción muy utilizada •

Convertidores multisalida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Es una opción muy utilizada • En la opción habitual, sólo se regula la salida principal n 1: 1 V 1 El ciclo de trabajo D se modula para que V 1 esté regulada: V 2 n 2: 1 Control La salida auxiliar ve las misma tensión en el primario que la principal. Por tanto: A este tipo de regulación se le llama regulación cruzada

Alimentación concentrada versus alimentación distribuida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • En sistemas complejos

Alimentación concentrada versus alimentación distribuida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • En sistemas complejos compuestos por múltiples subsistemas, es importante pensar detenidamente el esquema de alimentación • Ejemplo: supongamos una serie de equipos que necesitan una tensión de 12 V para funcionar Alimentación concentrada: podemos utilizar un único convertidor con 12 V de salida que maneje la suma de potencias de todos los sub-equipos Sub-equipo 1 CC/CC Bus de 12 V Sub-equipo 2 230 – 12 V Sub-equipo n Características: • El convertidor maneja toda la potencia • El bus debe estar muy bien diseñado para que tenga pocas pérdidas y poca componente inductiva • Si cae el convertidor, cae el sistema completo

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación concentrada versus alimentación distribuida Alimentación distribuida: por ejemplo, llevar

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación concentrada versus alimentación distribuida Alimentación distribuida: por ejemplo, llevar la energía en alterna directamente hasta cada carga y utilizar pequeños convertidores específicos para cada una de ellas CC/CC 230 – 12 V 230 V CC/CC 230 – 12 V Sub-equipo 1 Sub-equipo 2 Sub-equipo n Características: • Hay muchos convertidores • Cada uno maneja poca potencia • No hay problemas con el bus de distribución • Cada carga es autónoma

Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: Centralita telefónica Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: Centralita telefónica Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Esquema clásico Vg: 48 V V 0: 72 V Vg: 48 V V 0: 12 V, 5 V La tensión en el bus era: • Alterna rectificada en condiciones normales • Continua si entraba la batería Vg: 230 V V 0: 72 V Vg: 230 V V 0: 12 V, 5 V Nuevo esquema patentado por Alcatel

Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: fuente de alimentación de un PC Arquitecturas

Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: fuente de alimentación de un PC Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Los ordenadores necesitan varias tensiones internas para funcionar • La potencia máxima especificada oscila entre 200 y 300 W, dependiendo de la potencia del propio PC Tensión Tolerancia en la tensión Corriente máxima +5 V 5% 16 A -5 V 5% 0, 5 A +12 V 5% 6 A -12 V 5% 0, 3 A +3, 3 V 4% 14 A +5 VSB 5% 0, 8 A Especificación ATX 200 W • Se suele implementar convertidores multisalida y posreguladores • La tensión +5 VSB se implementa en un convertidor distinto. Es la tensión de “standby” que debe estar activa cuando el PC está “dormido”

Fuente de alimentación de un PC Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Posible esquema de

Fuente de alimentación de un PC Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Posible esquema de la fuente: 12 V Si la regulación cruzada no es suficiente, se puede utilizar un reductor como posregulador 5 V 3, 3 V Filtro EMI Rectificador + filtro LC (para cumplir con la EN 61000 -3 -2) -15 V Reg. Lineal 5 VSB Fuente independiente para +5 VSB -12 V Reg. -5 V Lineal

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • La alimentación eficientemente de

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • La alimentación eficientemente de microprocesadores de última generación es un reto tecnológico de primera magnitud • Para reducir las pérdidas en el micro, los fabricantes optan por bajar la tensión de alimentación • Como contrapartida, la corriente que debe manejar aumenta proporcionalmente. Además, en el funcionamiento del micro hay cambios de potencia enormes y las demandas de energía son muy rápidas ¡Esto resulta muy complicado para la fuente de alimentación!

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • El esquema clásico se

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • El esquema clásico se basa en el uso del convertidor reductor síncrono • Se utilizan 4 (n) de ellos en paralelo desfasados 90º (360º/n) para conseguir las prestaciones deseadas. Se puede reducir el tamaño de estos condensadores aumentando la frecuencia de conmutación (1 -2 MHz) Para conseguir dar las derivadas de corrientes tan fuertes como las que va a haber, se conectan condensadores especiales a la salida (de OSCON). Son muy costosos.

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Giga. Byte GA-MA 78 GM-S

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Giga. Byte GA-MA 78 GM-S 2 H Motherboard

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Giga. Byte GA-EP 45 -DS

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Giga. Byte GA-EP 45 -DS 3 L Motherboard

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Asus Rampage Formula Motherboard

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Asus Rampage Formula Motherboard

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Albatron PX 845 PEV Pro

Alimentación de un microprocesador Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Albatron PX 845 PEV Pro

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida • Un SAI (Sistema de

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas de alimentación ininterrumpida • Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) o UPS es un sistema de potencia que es capaz de generar la tensión de red durante un cierto tiempo en ausencia de ésta • Sirve para proteger frente a fallos en la red de distribución de energía eléctrica a determinados sistemas críticos: - Quirófanos - Sistemas de almacenamiento de datos críticos - Aeropuertos • Están compuestos por varios convertidores, utilizan baterías para almacenar la energía eléctrica y suelen requerir de un sistema de control y supervisión • Existen diversos esquemas básicos con diferentes características: - SAI on-line o de doble conversión - SAI off-line o pasivo - SAI interactivo o híbrido

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología On-line o Doble

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología On-line o Doble Conversión Funcionamiento normal desde la red Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología Off-Line o pasiva

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología Off-Line o pasiva Funcionamiento normal desde la red Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología Interactiva o Híbrida

Sistemas de alimentación ininterrumpida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Topología Interactiva o Híbrida Funcionamiento normal desde la red Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

Alimentación de un Satélite Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • En un satélite la

Alimentación de un Satélite Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • En un satélite la energía se obtiene de paneles solares • La energía obtenida se utiliza para alimentar los equipos que lleva a bordo y para cargar las baterías • Cuando el satélite entra en zona de sombra, no hay energía en los paneles y debe extraerse de las baterías CC/CC Bus (100 V) CC/CC Equipo CC/CC En realidad, el panel trabaja como fuente de corriente CC/CC Cargador de baterías • Es fundamental que el sistema de potencia tenga un peso mínimo, un gran rendimiento y una gran fiabilidad • Si se puede, se intenta evitar el uso de topologías con bobinas (por peso)

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación de un Satélite • En la Agencia Espacial Europea

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación de un Satélite • En la Agencia Espacial Europea (ESA) se utiliza, por cada bloque de paneles, un sistema de regulación de potencia llamado S 4 R (Sequential Switching Shunt Regulator) con tres funciones: - Mantiene estable la tensión del bus de potencia (a unos 100 V) - Carga las baterías (36 V) - Cortocircuita los paneles que no están en uso

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación de un Satélite: ejemplo de la alimentación de un

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación de un Satélite: ejemplo de la alimentación de un TWT • Uno de los equipos que pueden ir a bordo de un satélite de comunicaciones es un TWT (Travelling Wave Tube). Este equipo se alimenta a alta tensión (por ejemplo, 3 k. V) • Un posible esquema de alimentación sería el siguiente: