Como garantir resultados ótimos ao utilizar fontes de alimentação CA/CC de estrutura aberta

As fontes de alimentação CA/CC - às vezes referidas como fontes "off-line" - são amplamente utilizadas em iluminação, display, tecnologia da informação e aplicações industriais. Elas são um componente padrão de quase todos os sistemas eletrônicos, com exceção daqueles que são alimentados somente por baterias.

As versões destas fontes são entregues como unidades de estrutura aberta a serem embutidas em sistemas OEM como placas de circuito abertas e básicas, e contam com a embalagem final do produto para o gabinete em geral necessário. Estas fontes operam em uma ampla gama de tensões de linha CA e são oferecidas em muitas combinações de tensão de saída, corrente e potência.

Embora sejam funcionalmente completas e relativamente fáceis de usar, há, no entanto, algumas considerações de projeto que os engenheiros devem estar cientes ao utilizá-las. Elas incluem:

• Segurança elétrica/regulamentação
• Gerenciamento térmico e degradação de potência
• Compatibilidade eletromagnética

Este artigo examina estas considerações no contexto das fontes de estrutura aberta da XP Power e sua família LCE80 de fontes refrigeradas por convecção, 80 watt (W).

Fontes de alimentação: fazer ou comprar?

Historicamente, uma das primeiras questões associadas à necessidade de escolher um dessas fontes foi "devemos fazer ou comprar?" A lógica é que projetar e construir uma ou poucas unidades de uma fonte básica e funcional com menos de 100 W não é difícil, pelo menos em princípio.

Mas fazer isso na prática é uma situação muito mais complexa e multifacetada, exigindo um projeto e uma construção que:

• Funciona de acordo com as especificações sob todas as condições operacionais, incluindo linha CA alta/baixa, desempenho transiente e faixa de temperatura
• Possui os recursos de proteção necessários, como proteção contra sobretensão, bloqueio por subtensão, e cortes térmicos
• Esteja ciente e atenda aos muitos e complexos mandatos regulatórios mundiais de segurança, eficiência e potência quiescente
• Trata dos vários requisitos de choque e vibração
• Inclui um plano para testar, verificar e certificar o desempenho

A realidade é que é extremamente desafiador até mesmo para uma equipe de engenheiros qualificados com experiência nesta área fazer um projeto bem sucedido em um tempo razoável, e com os custos prévios aceitáveis de engenharia não recorrente (NRE), lista de materiais (BOM), arranjo da produção, teste e qualificação.

Mesmo quando as exigências não podem ser satisfeitas com uma unidade padrão, a maioria dos fornecedores de fontes de alimentação CA/CC oferece serviços de personalização onde eles modificam uma fonte padrão para atender exigências exclusivas, enquanto ainda incorporam as muitas exigências técnicas e regulamentares.

Comece com a implementação de estrutura aberta

Uma fonte de estrutura aberta é a designação da indústria para uma construção somente de placa que funciona como um componente único e completo como os da família LCE80 (Figura 1). Ela é instalada na aplicação do equipamento final, e esse produto final fornece tanto o gabinete de proteção física quanto elétrica para a fonte. As fontes de estrutura aberta oferecem flexibilidade de instalação, excelente desempenho, atendem às normas e mandatos regulamentares e são soluções econômicas que permitem que a equipe de projeto se concentre mais no restante do projeto do sistema e em sua diferenciação.

Figura 1: A série LCE80 das fontes de alimentação de 80 watts de estrutura aberta tem todos os componentes necessários montados em uma única placa de circuito impresso. (Fonte da imagem: XP Power)

Uma fonte de alimentação com estrutura aberta não é a mesma que outra fonte CA/CC amplamente utilizada chamada canal em U, onde a placa de circuito de alimentação é instalada em um chassi em forma de U que normalmente é feito de alumínio (Figura 2). Um bom exemplo é a fonte de 100 watts VCS100US12 da XP Power. O chassi também oferece múltiplas opções para o fabricante do equipamento instalar a fonte na montagem final, e muitas vezes inclui uma tampa removível que fornece proteção elétrica e física, e é perfurada para o fluxo de ar.

Figura 2: A fonte de alimentação de 100 watts VCS100US12 com canal U inclui uma tampa protetora removível. (Fonte da imagem: XP Power)

Embora a fonte de estrutura aberta esteja completa e pronta para uso, ainda há considerações relacionadas a questões de segurança elétrica/regulamentação, desempenho térmico e limites, instalação e compatibilidade eletromagnética (EMC).

Segurança elétrica/conformidade regulatória: Os usuários de fontes de estrutura aberta devem estar cientes dos requisitos de folga e de fuga. A folga é a distância mais curta no ar entre duas partes condutoras, enquanto que a distância de fuga significa a distância mais curta ao longo da superfície de um material isolante sólido entre duas partes condutoras (Figura 3). Os mínimos necessários para estes dois fatores é uma função da tensão de alimentação, bem como das condições operacionais, tais como poluição prevista induzindo poeira, umidade e outras partículas no ar ao redor, ou na superfície entre os nós de alta tensão.

Figura 3: Os projetos de placas de circuito impresso devem atender às dimensões mínimas de folga, a menor distância no ar entre duas partes condutoras, e do caminho de fuga, a menor distância ao longo da superfície de um material isolante sólido entre duas partes condutoras. (Fonte da imagem: Altium Limited)

As fontes também são divididas em várias classes IEC, com base na aplicação final:

• Classe I: A proteção do usuário contra choques elétricos é obtida através de uma combinação de isolação e um aterramento de proteção
• Classe II: A proteção do usuário contra choques elétricos é obtida através de dois níveis de isolação (duplo ou reforçado)

Um sistema Classe I requer três ou quatro milímetros (mm) entre qualquer peça metálica aterrada e qualquer parte primária da fonte de alimentação, dependendo se a aplicação final é industrial ou médica. Isto pode exigir isoladores adicionais ao redor do conjunto da fonte de alimentação de estrutura aberta; as fontes Classe II podem precisar de maiores distâncias de fuga e de folga.

Quando uma fonte de alimentação Classe I é utilizada, a conexão de terra de segurança à fonte é parte integrante do sistema elétrico e deve ser conectada com segurança à terra de segurança do equipamento. Além disso, é provável que haja mais de uma conexão de terra necessária ao conjunto, o que afeta o desempenho das emissões elétricas e a suscetibilidade (discutido mais adiante).

Tanto as fontes de alimentação de estrutura aberta quanto as de canal em U incluem um fusível integral; para aplicações em equipamentos médicos, são necessários dois fusíveis.

Os fusíveis são normalmente instalados permanentemente na fonte de alimentação e não são projetados para substituição no campo, pois a única razão para um fusível ser ativado (aberto) é uma falha na fonte, que deve ser reparada ou substituída antes de usar o sistema novamente. Também pode haver requisitos adicionais para os fusíveis de todo o sistema para proteção contra problemas com conexões e cabos de interligações, bem como outros circuitos que não estejam relacionados com a fonte.

Gerenciamento térmico e degradação de potência: O calor é uma preocupação bem conhecida em todos os sistemas eletrônicos, pois é a principal causa de fadiga de componentes e falhas induzidas por estresse, incluindo fraturas devido aos ciclos térmicos. Independentemente dos dimensionamentos específicos de tensão e corrente da fonte, os projetistas estão principalmente preocupados com a potência total em watts que a fonte fornece.

Os fornecedores frequentemente projetam uma família de fontes para uma potência máxima específica fornecida, e depois ajustam os pares de tensão e corrente para corresponder. Por exemplo, todas as unidades da série XP Power LCE80 são dimensionadas para 80 W, com a unidade de tensão mais baixa, a LCE80PS05, fornecendo 5 volts a até 12 A, enquanto a mais alta tensão LCE80PS54 fornece 54 volts a até 1,48 A. No meio estão mais oito opções de saída CC de 12 volts, 15 volts, 20 volts, 24 volts, 30 volts, 36 volts, 42 volts e 48 volts.

As fontes operam em uma faixa de tensão de entrada de 90 a 305 volts CA, com potência total de carga disponível mesmo em uma linha baixa de 90 volts. A eficiência é muito próxima de 90%, o que significa que apenas 8 W são dissipados pela fonte; os 72 W restantes estão disponíveis para as necessidades do sistema. Todos os membros da família medem 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. A faixa de temperatura de operação é de -40 °C a +70 °C, com potência total disponível de -30 °C (-40 °C na linha CA alta) a +50 °C. O tempo médio calculado entre falhas (MTBF) é de 300 mil horas, conforme MIL-HDBK-217F.

Todas as unidades da série atendem às muitas normas reguladoras relevantes incluindo (mas não limitadas a) EN55032 Classe B para emissões conduzidas e radiadas; EN55035, EN61547 e EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 para imunidade EMC; EN61000-3-2 corrente harmônica Classe C para carga de 50 W e acima. As aprovações de segurança incluem CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (iluminação) e UL8750 (iluminação).

A eficiência de qualquer fonte é crítica, pois determina como o calor gerado é gerenciado. As fontes de alimentação de estrutura aberta podem ser resfriadas utilizando convecção passiva, ventilação forçada ativa (ventoinha) ou uma combinação de ambos. Muitos projetistas preferem escolher fontes que são especificadas para funcionar de acordo com seus dimensionamentos usando apenas o resfriamento passivo do ar e não usam uma ventoinha, por uma longa lista de razões, como:

• Economiza no custo direto da lista de materiais e reduz o tempo de montagem do produto.
• Ele elimina uma fonte potencial de falha - a ventoinha - que teria um efeito cascata, induzindo o superaquecimento e encurtando muito a vida útil da fonte.
• Evita problemas associados à velocidade da ventoinha e ao gerenciamento da operação, geralmente com base na detecção da temperatura ambiente.
• É obviamente mais silencioso, um fator importante em muitas situações.
• Evita a perspectiva do usuário final causar involuntariamente problemas de superaquecimento causados pelo bloqueio da entrada ou saída da ventoinha.

Em resumo, a eliminação da necessidade de uma ventoinha aumenta significativamente a confiabilidade do sistema geral, simplifica o projeto mecânico e reduz os custos. Para funcionar sem ventoinha, é necessário que os projetistas examinem a ficha técnica da fonte de alimentação para ver se é necessário a ventilação forçada para atender às especificações declaradas, ou se apenas a convecção passiva será suficiente.

Este exame inclui a verificação da temperatura máxima para a qual o fornecedor garante o desempenho de todas as especificações, bem como a curva de degradação que define o quanto a potência de saída diminui além de uma temperatura limite. Uma fonte bem projetada manterá a potência nominal para 50 ⁰C de temperatura ambiente, bem como para 90 volts de entrada CA. Em contraste, alguns produtos promovem um dimensionamento de potência "para manchete", mas rapidamente reduzem em até 20% na linha CA baixa, e degradam a potência disponível começando em temperaturas ambientes tão baixas quanto 40 ⁰C. Para a série LCE80, o desempenho total é garantido até 50 ⁰C, baixando linearmente para 50% até uma temperatura máxima de 70 ⁰C (Figura 4).

Figura 4: Esta curva de degradação para a série LCE80 mostra que estas fontes mantêm seus dimensionamentos de desempenho de 80 W até 50 ⁰C, e depois diminuem em 50% a 40 W a uma temperatura máxima de operação de 70 ⁰C. (Fonte da imagem: XP Power)

A posição de montagem, orientação, espaço disponível ao redor, carga aplicada e peças ao redor, aliado a qualquer resfriamento a ar, são exclusivos para cada aplicação. É importante modelar e medir a temperatura na fonte de estrutura aberta, e não em outro lugar no gabinete do sistema, pois pode haver variações amplas e altamente localizadas.

Um fator crítico para determinar a vida útil estimada de uma fonte é uma curva de vida útil baseada na temperatura dos capacitores eletrolíticos principais, que são as únicas peças com um mecanismo de desgaste. Todos os cálculos da vida útil dos capacitores eletrolíticos são baseados na equação de Arrhenius, onde a taxa de reação duplica — e por isso a vida útil é reduzida pela metade — a cada dez graus Celsius de aumento de temperatura (Figura 5). Uma boa indicação da vida útil pode ser determinada pela medição da temperatura da caixa do componente e pela aplicação da equação de Arrhenius à temperatura especificada e à vida útil do projeto.

Figura 5: As curvas de degradação térmica para dois capacitores eletrolíticos típicos mostram sua redução pela metade da vida útil para cada 10 ⁰C no aumento de temperatura, de acordo com a equação de Arrhenius (direita). (Fonte da imagem: XP Power)

Questões de compatibilidade eletromagnética: Fontes de alimentação de estrutura aberta normalmente requerem dois, e às vezes três pontos de montagem, a serem conectados à terra para atender às normas. Em um sistema Classe I, uma dessas conexões é necessária para o aterramento de segurança e está localizada no lado de entrada do conjunto. Esta conexão também conectará os capacitores de filtro linha-terra e neutro-terra de modo comum, também conhecidos como capacitores Y (Figura 6).

Figura 6: Os capacitores Y funcionam como um filtro de modo comum e são utilizados no lado de entrada da fonte de alimentação, conectando a linha e o neutro à terra. (Fonte da imagem: www.blogranya.blogspot.com)

Estes capacitores trabalham com os indutores de modo comum na fonte de alimentação para atenuar o ruído associado às rápidas mudanças de tensão no estágio de energia do fornecimento. Estes capacitores de modo comum de saída são críticos para o desempenho EMC da fonte de alimentação e devem ser conectados para um ótimo desempenho EMC.

É necessário conectar esses pontos para garantir a conformidade EMC com as fontes de estrutura aberta. Os pontos que requerem conexão à terra ou juntos são normalmente identificados na ficha técnica da fonte de alimentação, e a melhor maneira de conectar esses pontos é montando a fonte em uma chapa metálica aterrada (Figura 7).

Figura 7: Os furos de montagem marcados no desenho com o símbolo de terra devem ser conectados ao aterramento de segurança em aplicações de Classe I, ou conectados juntos em aplicações de Classe II. (Fonte da imagem: XP Power)

Esta chapa não precisa ser conectada a nada mais, pois sua função é fornecer um caminho de baixa impedância com baixos elementos parasitas para as conexões do capacitor de filtro à terra. Os furos de montagem marcados com o símbolo de terra devem ser conectados ao aterramento de segurança em aplicações Classe I, ou conectados juntos em aplicações Classe II.

Como diretriz geral, todos os cabos de entrada e saída da fonte devem ser mantidos separados e evitar a proximidade com a montagem aberta. Isto minimiza problemas potenciais onde a radiação eletromagnética gerada na fonte de alimentação induz as emissões conduzidas e radiadas para o equipamento final.

Conclusão

Os projetistas podem encurtar e melhorar seu processo de projeto, concentrando-se em uma única família de fontes de estrutura aberta com diferentes dimensionamentos de tensão/corrente, mantendo todos os outros fatores inalterados. Ao fazer isso simplifica a montagem, aterramento, EMC e análise térmica, considerações de degradação, cálculos de desempenho, conexões físicas e cabeamento.