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Lección 10
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso.
Ingeniería de Telecomunicación
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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
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• También es necesario tener en cuenta cómo
  distribuir la energía por el sistema. Existen dos
  posibilidades

- Alimentación concentrada existe un único
punto de distribución de energía ya transformada
- Alimentación distribuida se alimenta cada
carga en su punto de uso llevando la energía sin
transformar hasta allí
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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
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• 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)

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Conexión de varias etapas en cascada
Ejemplos
Alimentación de sistemas de potencias por encima
de 500 - 700 W con corrección de factor de
potencia
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Elevador con CFP
• Sin aislamiento
• Tensión universal
• Buen rendimiento
• Cumple IEC 61000-3-2

• Convertidor con aislamiento
• Circuito de control independiente
• Tensión de entrada casi fija
• Buen rendimiento

En este caso el convertidor de entrada
(front-end) es un preregulador
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Conexión de varias etapas en cascada
Ejemplos

• En telecomunicaciones es habitual el uso de dos
  tensiones bajas en las tarjetas 5 V y 3,3 V
• La tensión de entrada suele ser de 48 V

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Convertidor en Medio Puente
• Proporciona aislamiento
• Buena dinámica
• Buen rendimiento

• Reductor síncrono
• Muy buen rendimiento
• Buena dinámica
• Tensión de salida cercana a la de entrada

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Convertidores multisalida

• Una opción muy utilizada es la de implementar
  convertidores con varias salidas
• En la opción básica, sólo se regula la salida
  principal.

n11
El ciclo de trabajo D se modula para que V1 esté
regulada
V1
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
V2
La salida auxiliar ve las misma tensión en el
primario que la principal. Por tanto
n21
Control
A este tipo de regulación se le llama regulación
cruzada
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Alimentación concentrada versus alimentación
distribuida

• En sistemas complejos compuestos por múltiples
  subsistemas, es importante pensar detenidamente
  el esquema de alimentación
• Supongamos una serie de equipos que necesiten
  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
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• 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

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Alimentación concentrada versus alimentación
distribuida
Alimentación distribuida Otra opción es llevar
la energía en alterna directamente hasta cada
carga y utilizar pequeños convertidores
específicos para cada una de ellas
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Características
• Hay muchos convertidores
• Cada uno maneja poca potencia
• No hay problemas con el bus de distribución
• Cada carga es autónoma

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Ejemplo de arquitectura de sistema de
alimentación Centralita telefónica
Vg 48 V V0 72 V
Esquema clásico
Vg 48 V V0 12 V, 5V
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Nuevo esquema patentado por Alcatel
Vg 230V V0 72 V
Vg 230 V V0 12 V, 5V
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Ejemplo de arquitectura de sistema de
alimentación nuevo esquema de alimentación para
automóviles

• Los automóviles han venido sufriendo grandes
  cambios en los últimos años. Cada vez tienen más
  sistemas electrónicos ABS, ESP, CD, DVD,
  navegador GPS, ordenador de a bordo, faros de
  Xenon, elevalunas, cierres, espejos, etc
• Como consecuencia, la potencia eléctrica
  consumida ha aumentado espectacularmente

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Obtener 2kW desde la batería de 12 V resulta muy
  complicado 166 A
• El grosor de los cables necesarios es enorme, lo
  que implica mucho coste, mucho peso, etc

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Nuevo esquema de alimentación para automóviles

• Se creó el consorcio 42 V Powernet con el fin de
  cambiar el estándar de alimentación.
• La nueva batería propuesta es de 42 V
• Con ella, el nivel de corriente sería de sólo
  unos 47 A
• Al aumentar la tensión, aumenta la capacidad de
  dar potencia y posibilita la implantación de
  nuevos sistemas, como la suspensión eléctrica

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Transitoriamente se deberían mantener las dos
  baterías con el fin de dar salida a todos los
  equipos eléctricos para coches que existen en la
  actualidad (receptores de radio, equipos de
  música, sistemas electrónicos diversos, etc.)

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Nuevo esquema de alimentación para automóviles
Nuevo esquema propuesto
Bus de 14 V
Bus de 42 V
Alternador
CC/CC Bidireccional
Radio, CD, etc...
CC/CC
Nuevas Cargas
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
CC/CC Bidireccional
CC/CC Bidireccional
36V
12V
Carga/Descarga de Baterías
Carga/Descarga de Baterías
Nuevas cargas dirección eléctrica, válvulas
eléctricas, suspensiones eléctricas, ordenadores,
GPS, etc.
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Ejemplo de arquitectura de sistema de
alimentación fuente de alimentación de un PC

• 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
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

• Se suele implementar con convertidores
  multisalida y posreguladores
• La tensión 5VSB se implementa en un convertidor
  aparte. Es la tensión de standby que debe estar
  activa cuando el PC está dormido

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Fuente de alimentación de un PC
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Alimentación de un Pentium IV

• La alimentación eficientemente de
  microprocesadores de última generación es un reto
  tecnológico de primera magnitud
• Para reducir las pérdidas en el micro, Intel ha
  optado 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

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
1V
100A, 300 A/us
Esto resulta muy complicado para la fuente de
alimentación!
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Alimentación de un Pentium IV

• El esquema actual 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.

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.
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Se puede reducir el tamaño de estos condensadores
aumentando la frecuencia de conmutación (1-2 MHz)
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Alimentación de procesadores
GigaByte GA-MA78GM-S2H Motherboard
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Alimentación de procesadores
GigaByte GA-EP45-DS3L Motherboard
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Alimentación de procesadores
Asus Rampage Formula Motherboard
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Alimentación de procesadores
Albatron PX845PEV Pro
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida)
  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 de la red de distribución a determinados
  sistemas críticos
• - Quirófanos
• - Sistemas de almacenamiento de datos
  críticos
• - Aeropuertos
• Están compuestos por varios convertidores,
  utilizan baterías para almacenar la energía 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

Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
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Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Topología On-line o Doble Conversión

Funcionamiento normal desde la red
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
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Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Topología Off-Line o pasiva

Funcionamiento normal desde la red
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
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Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Topología Interactiva o Híbrida

Funcionamiento normal desde la red
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
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Alimentación de un Satélite

• 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

Bus (100 V)
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Equipo
CC/CC
CC/CC
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)

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Alimentación de un Satélite

• En la Agencia Espacial Europea (ESA) se utiliza,
  por cada bloque de paneles, un sistema de
  regulación de potencia llamado S4R (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
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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 (p.ej 3kV).
• Un posible esquema de alimentación sería el
  siguiente

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