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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 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 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
V1
CC/CC 1
CC/CC 2
V2
• 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 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
• 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 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
5V
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
• En la opción habitual, sólo se regula la salida principal
n1:1
V1
El ciclo de trabajo D se modula
para que V1 esté regulada:
V1 
Vg
D
·
n1 1  D
V2
n2:1
Control
La salida auxiliar ve las misma
tensión en el primario que la
principal. Por tanto:
V2 
Vg
n
D
·
 V1· 1
n2 1  D
n2
A este tipo de regulación se le llama regulación cruzada
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 – 12V
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
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 – 12V
230 V
CC/CC
230 – 12V
CC/CC
230 – 12V
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
TELECOM EQUIPMENT
ADM
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Esquema clásico
DC/DC CONV.
PFC AC/DC
CONVERTER
MAINS
(190V-265V)
HV DC/DC
CONVERTER
48V DC BUS
(BATTERY
CHARGER)
ON BOARD DC/DC
CONVERTERS
Vg: 48 V
V0: 72 V
Vg: 48 V
V0: 12 V, 5V
BATTERIES
48V
DC/AC
CONVERTER
La tensión en el bus era:
• Alterna rectificada en condiciones
normales
• Continua si entraba la batería
MAINS
(190V-265V)
DATACOM
EQUIPMENT
TELECOM EQUIPMENT
PFC ADM
HV AC/DC
CONVERTER
DIODE BRIDGE
BYPASS
AC/DC LOW
POWER MODULES
SMALL BATTERY
CHARGER
Nuevo esquema
patentado por Alcatel
DATACOM
EQUIPMENT
BATTERIES
264VDC
Vg: 230V
V0: 72 V
Vg: 230 V
V0: 12 V, 5V
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%
6A
-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 con 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 la fuente:
12 V
Si la regulación
cruzada no es
suficiente, se puede
utilizar un reductor
como posregulador
5V
3,3 V
Filtro EMI
-15 V
Rectificador + filtro LC
Reg.
Lineal
(para cumplir con la
EN 61000-3-2)
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 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 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
GigaByte GA-MA78GM-S2H Motherboard
Alimentación de un microprocesador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
GigaByte GA-EP45-DS3L Motherboard
Alimentación de un microprocesador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Asus Rampage Formula Motherboard
Alimentación de un microprocesador
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
Albatron PX845PEV Pro
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 Conversión
Funcionamiento normal desde la red
Flujo de potencia
RED
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Baterías
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Flujo de
potencia
Baterías
Sistemas de alimentación ininterrumpida
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
• Topología Off-Line o pasiva
Funcionamiento normal desde la red
Flujo de potencia
RED
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Baterías
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Flujo de
potencia
Baterías
Sistemas de alimentación ininterrumpida
Arquitecturas de Sistemas de Alimentación
• Topología Interactiva o Híbrida
Funcionamiento normal desde la red
Flujo de potencia
Transformador
ferrorresonante
RED
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Baterías
Baterías
Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías
Transformador
ferrorresonante
Flujo de potencia
Rectificador/
cargador de batería
Inversor
Baterías
Baterías
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
Bus (100 V)
CC/CC
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
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
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 kV)
• Un posible esquema de alimentación sería el siguiente: