Evitar los costes ocultos del diseño del aislamiento - Cómo gestionar los riesgos del proyecto con soluciones de nueva generación

Aumenta el contenido eléctrico

Hay una tendencia innegable hacia sistemas eléctricos más pequeños y ligeros, siendo la electrificación de los automóviles un ejemplo destacado. La empresa de servicios profesionales PwC estima que los vehículos híbridos y totalmente eléctricos representarán el 40% de las ventas mundiales en 2024. Con este aumento de la electrificación de los vehículos viene una creciente necesidad de aislamiento entre el creciente número de componentes y sistemas eléctricos. Por ejemplo, los vehículos eléctricos con pilas de baterías de 400 V de corriente continua son cada vez más comunes, con evidentes implicaciones de seguridad.

Un mayor contenido eléctrico requiere un mayor aislamiento

El suministro de soluciones de aislamiento de nueva generación está provocando un aumento del número y la variedad de retos. Estos sistemas, sobre todo en lo que respecta al aislamiento, implican arquitecturas y procesos complejos que limitan la agilidad y la flexibilidad, al tiempo que crean barreras al cambio. La aceleración de la competencia y la globalización han obligado a las empresas a centrarse más en el tiempo de comercialización (TTM) y en el retorno de la inversión (ROI). Esto significa que los equipos de desarrollo deben ejecutar impecablemente un calendario comprimido. A medida que los recursos de diseño y desarrollo son cada vez más escrutados y exigidos, no existe un banco profundo de experiencia en todas las disciplinas críticas. Las iteraciones deben ser mínimas para lograr el rendimiento de la inversión previsto, pero al mismo tiempo la presión de los competidores puede impulsar rápidamente y sin descanso los objetivos de rendimiento para diferenciar aún más los productos. También hay nuevos y más estrictos organismos reguladores y normativas que añaden una capa adicional de pruebas y certificación de las aplicaciones. Las exigencias son altas y los riesgos también.

Comprender el diseño del aislamiento

Aunque el aislamiento es una parte esencial del diseño del aislamiento, no es una parte simple del diseño. Tanto si se trata de determinar el nivel de aislamiento necesario, como de proporcionar una alimentación aislada para completar la ruta de datos aislada, o de garantizar que la solución encaje en el espacio disponible, hay muchas compensaciones de diseño que hay que evaluar. Sin embargo, cada nuevo proyecto viene con su propio conjunto de objetivos de diseño únicos, así como de requisitos de diseño. Múltiples factores, como la dificultad técnica, la similitud con diseños anteriores, el calendario y los recursos, se combinan para dictar el grado de reutilización frente a las nuevas opciones de diseño. La reutilización de diseños o enfoques arquitectónicos anteriores, con cambios mínimos, suele suponer un menor riesgo y una ejecución más rápida. Sin embargo, las nuevas funcionalidades o el aumento de los niveles de rendimiento suelen obligar a considerar nuevos enfoques. También puede significar gastar recursos de desarrollo limitados para evaluar tecnologías nuevas y mejoradas que proporcionen partes de valor añadido al diseño.

Las limitaciones de los enfoques convencionales

La llegada de los convertidores CC-CC aislados integrados ha hecho que muchas de estas consideraciones sean más fáciles de resolver al proporcionar una solución compacta y fácil de usar con certificaciones de seguridad documentadas. Considera el escenario de un nuevo proyecto aprobado, en el que se actualizará un diseño anterior para conseguir unas métricas de rendimiento más altas con una funcionalidad adicional. Los miembros del equipo están inmediatamente llenos de energía y listos para sumergirse en el trabajo. Pero el director técnico del proyecto tiene que preocuparse de todas las cosas que pueden salir mal y gestionar la creciente complejidad con limitaciones de presupuesto y calendario más estrictas.

Entre estos retos de gestión de proyectos está el de cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM), cada vez más estrictos. Cada vez hay más aplicaciones y mercados emergentes que exigen el cumplimiento de numerosas especificaciones de CEM, y el listón sigue subiendo con límites de rendimiento más estrictos.

Las soluciones discretas existentes, como los convertidores flyback aislados, tienen algunas ventajas, como el bajo coste de la lista de materiales, pero también tienen inconvenientes. Un diseño típico de convertidor flyback (Figura 1) contiene un controlador que acciona un transformador de aislamiento, con rectificación y filtrado en el secundario, y una red de retroalimentación aislada ópticamente. El amplificador de error requiere un esfuerzo de ingeniería para desarrollar una red de compensación que estabilice el bucle de tensión, y depende de la variabilidad del rendimiento del optoacoplador. Considerado a menudo como un aislante barato para utilizar en una fuente de alimentación, un optoacoplador tiene una variación en la relación de transferencia de corriente (CTR) que limitará el rendimiento de la retroalimentación de tensión y el rango de temperatura de funcionamiento efectivo. El parámetro CTR se define como la relación entre la corriente del transistor de salida y la corriente del LED de entrada y no es lineal, con una variabilidad importante de una unidad a otra. Los optoacopladores suelen tener una incertidumbre de 2:1 en el CTR inicial, que puede degradarse hasta un 50% tras años de uso en entornos de alta temperatura, como los que se encuentran en las fuentes de alimentación de alta potencia y densidad. Para un director de proyecto, el enfoque de flyback discreto parece mejor desde el punto de vista de los costes, pero hay una compensación en términos de esfuerzo de ingeniería y riesgo técnico.

Otra preocupación del enfoque discreto es el cumplimiento de las normas de seguridad. Los organismos de seguridad se fijan más en el diseño discreto, por lo que la obtención de las certificaciones necesarias para el diseño de un sistema discreto puede llevar a menudo a múltiples iteraciones de diseño.

El aislamiento del sistema también añade complejidad al diseño de la fuente de alimentación. Un diseño típico no aislado tiene las limitaciones habituales, como los rangos de tensión de entrada y salida, la corriente de carga máxima, el ruido y el rizado, el rendimiento transitorio, las características de arranque, etc. Por su propia naturaleza, la barrera de aislamiento elimina la posibilidad de controlar fácilmente las condiciones de entrada y salida simultáneamente, lo que hace más difícil alcanzar los parámetros de rendimiento. Los dominios de tierra separados también forman una antena dipolo, y cualquier corriente de modo común que fluya a través de la barrera excitará el dipolo y dará lugar a una energía radiada no deseada.

Superar las pruebas

El éxito de la certificación EMC de un diseño de fuente de alimentación discreta puede llevar varias iteraciones. Las pruebas de compatibilidad electromagnética son largas y costosas, y requieren que los equipos dediquen muchas horas a preparar y supervisar las pruebas en una instalación externa de cumplimiento de la compatibilidad electromagnética. Cuando surgen problemas, hay que volver al laboratorio para solucionarlos y hacer cambios. A continuación, el diseño debe volver a calificarse completamente para garantizar que las medidas de rendimiento estándar no se han visto comprometidas por las modificaciones. Después, vuelve a las instalaciones del EMC para volver a probarlo.

El último paso es obtener las certificaciones de seguridad necesarias. Este es otro proceso largo y costoso, realizado por una agencia de seguridad externa. El equipo de diseño debe preparar una gran cantidad de documentación, que la agencia revisa cuidadosamente. Cualquier cosa nueva está sujeta a escrutinio, lo que hace muy deseable la reutilización de circuitos previamente certificados. Un diseño de potencia aislada discreta puede tener que modificarse si la agencia decide que no cumple los requisitos de seguridad. Una vez modificado, habrá que volver a caracterizar el diseño y someterlo a pruebas de compatibilidad electromagnética.

Una solución mejor

La respuesta a estos problemas es un componente totalmente integrado, con certificación de seguridad y con prestaciones de CEM documentadas. Un ejemplo sería el de los convertidores de CC a CC aislados de baja emisión ADuM5020/ADuM5028 que utilizan isoPotencia^® tecnología. Proporcionan hasta 0,5 W de potencia aislada a partir de una fuente de alimentación de 5 V cc y funcionan entre -40 °C y 125 °C. Los productos han sido certificados según varias especificaciones de seguridad de sistemas y componentes por UL, CSA y VDE. Y cumplen con los requisitos de emisión radiada de Clase B de la norma CISPR 22/EN 55022 en condiciones de carga completa en una placa de circuito impreso (PCB) de 2 capas, Figura 2.

El pequeño envase (SOIC de cuerpo ancho de 16 y 8 hilos) consume muy poca superficie de PCB, y no se requiere ninguna capacitancia de seguridad para cumplir los objetivos de emisión. Esto hace que el circuito de alimentación aislado sea más pequeño y más barato que un enfoque discreto, como un condensador de costura integrado que requiere cuatro o más capas con un espaciado personalizado para producir la capacitancia adecuada.

Satisfacer la necesidad de mayor aislamiento sin mayor complejidad

La necesidad de aislamiento aumenta con la creciente electrificación de los coches y otros vehículos. Al mismo tiempo, el aumento de la competencia está impulsando la necesidad de reducir los costes y el tiempo de comercialización. A estos factores se suman unos requisitos normativos más estrictos y la complejidad inherente al diseño del aislamiento. Esta confluencia de demandas y retos del mercado no puede ser satisfecha con los enfoques convencionales del aislamiento. Los convertidores CC-CC aislados, totalmente integrados y con certificación de seguridad, con prestaciones documentadas de CEM, ofrecen una solución mejor para los diseñadores de sistemas. Pueden reducir significativamente la complejidad del diseño y garantizar una mejor prueba y cumplimiento de la CEM. Al dedicar menos tiempo al rediseño, la recaracterización y las nuevas pruebas, los diseñadores pueden reducir el espacio de la placa, disminuir el riesgo, reducir los costes y mejorar el tiempo de comercialización.