Los rectificadores de puente activo reducen la disipación de calor en las cámaras de seguridad PoE

La industria del CCTV ha adoptado la alimentación a través de Ethernet (PoE) como solución a un viejo problema: el complicado cableado. Por ejemplo, una cámara de seguridad básica tradicional de visión fija requiere dos cables: uno para la alimentación (de 10 a 15 W de una fuente de 24 V de CA o 12 V de CC), y otro cable coaxial para la señal de vídeo. Con PoE, un solo cable Ethernet transporta tanto los datos de vídeo como la energía. Todo está simplificado. ¿Verdad?

No del todo. Para garantizar la compatibilidad con los sistemas existentes, los fabricantes de cámaras tienen que producir cámaras con PoE que también sean compatibles con las fuentes de alimentación heredadas: deben aceptar PoE de 37V a 57V DC desde una toma RJ-45 o 24V AC, +12V DC o -12V DC desde un conector de alimentación auxiliar.

La figura 1 muestra la arquitectura de alimentación utilizada por muchos fabricantes de cámaras PoE para resolver este problema. Un rectificador de diodo de puente completo después de la entrada auxiliar (estilo antiguo) produce una alimentación positiva de CC de 24 V CA, +12 V CC o -12 V CC. La alimentación de CC resultante y las entradas PoE se conectan mediante un diodo y la alimentación ganadora alimenta una fuente de alimentación conmutada de tensión de entrada amplia y aislada, que a su vez alimenta la electrónica de la cámara.

Esta arquitectura de potencia presenta algunos retos. Cuando la cámara se alimenta de la entrada auxiliar, hay tres diodos (marcados con un círculo en la Figura 1) en la ruta de alimentación. Además de la ineficacia de este diseño y de los posibles problemas de calor debidos a la potencia disipada por los diodos, los tres diodos provocan una importante caída de tensión en la entrada de la fuente de alimentación conmutada. Con una cámara de 10 a 15 W, estos retos se superan fácilmente, pero las últimas cámaras de seguridad han duplicado este consumo de energía. Funciones como el movimiento horizontal/vertical/zoom (PTZ) y el calentamiento del objetivo de la cámara para su funcionamiento en exteriores han hecho que esta arquitectura de potencia no sea adecuada para esta nueva ola de cámaras.

Para ilustrar las deficiencias de esta arquitectura, considera una cámara de 26W. Para una entrada auxiliar de 12V CC (que se supone que son 9V CC debido al uso de apliques/adaptadores de CA no regulados) y tres diodos Schottky de 0,5V, la tensión de entrada de la fuente de alimentación conmutada es de 7,5V (9V - 3 - 0,5V). La corriente de entrada de este dispositivo es de aproximadamente 3,5A (26W/7,5V). La disipación de potencia resultante de los tres diodos Schottky en la ruta de alimentación es de 5,2W (3,5A - 3 - 0,5V). Esta disipación de energía da lugar a una mayor temperatura en la cámara, que es difícil, larga y cara de mitigar.

La figura 2 muestra una forma de contrarrestar este defecto. En este caso, los dos diodos del rectificador de puente completo se sustituyen por diodos ideales, marcados con un círculo (en negro) en la figura 2. Los diodos ideales son simplemente MOSFETs controlados para que se comporten como diodos normales. La ventaja de un diodo ideal es que se pueden utilizar MOSFETs con una baja resistencia de canal (R_DS(ON))esto reduce la caída de tensión hacia delante (I_DS - R_DS(ON)) a un valor muy inferior a la caída de un diodo Schottky. El controlador de puente de diodos ideal LT4320 permite controlar cuatro MOSFET en una configuración de puente completo. La tercera caída de diodo debida al diodo OR de la figura 1 se elimina con el controlador de DP LT4275 LTPoE++™/PoE+/PoE. Su topología permite utilizar unos pocos diodos de pequeña señal, marcados con un círculo (rojo) en la Figura 2, para la detección de la entrada auxiliar. Estos diodos no están en la ruta de alimentación como en la arquitectura tradicional, por lo que no contribuyen a una caída de tensión adicional ni a problemas de calor.

La arquitectura de potencia mostrada en la Figura 2 reduce significativamente las pérdidas de potencia totales en comparación con la de la Figura 1. Para cuantificar, el LT4320 combinado con MOSFETs de baja resistencia de canal da como resultado una caída de 20mV a través de cada MOSFET de puente de diodo ideal. Esto produce una entrada de alimentación aislada de 8,96V (9V - 2 - 20mV). La mayor tensión de entrada reduce la corriente de entrada necesaria a sólo 2,9 A (26 W/8,96 V) desde los 3,5 A originales.

La disipación de energía resultante de la arquitectura mejorada es ahora de sólo 116mW (2,9A - 2 - 20mV), en comparación con los 5,2W de la arquitectura original: ¡una reducción de 45×! Además, la menor corriente de entrada reduce aún más la disipación de energía en los componentes de potencia de la fuente de alimentación aislada (es decir, el inductor de filtro de entrada, el transformador de potencia y los MOSFETs de conmutación) debido a su reducida I²R las pérdidas de energía. Un cálculo sencillo sitúa esta reducción en un 31% (100% - 2,9A2/3,5A2).

Si se añaden los LT4320 y LT4275 a las entradas auxiliares y PoE de una cámara de seguridad habilitada para PoE, se recuperan más de 5W (5,2W - 116mW) de disipación de energía en comparación con los diseños tradicionales de puente completo/diodos-OR. Esta reducción de potencia reduce el tiempo de diseño térmico y la complejidad de las cámaras de seguridad PoE.