Mejorar la eficiencia de la fuente de alimentación mediante una gestión térmica optimizada

Resumen técnico: El aumento de la densidad de potencia incrementa el calor generado por los transistores de conmutación, los diodos, los componentes magnéticos, los capacitores y los circuitos integrados en las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). En este artículo se explica cómo las pérdidas por conducción y conmutación, la tensión directa del diodo, las pérdidas en los devanados y el núcleo, la resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor y la disipación de potencia del silicio contribuyen a la carga térmica. En él se comparan la convección natural, la ventilación forzada, la conducción y la refrigeración por líquido, incluyendo su capacidad, fiabilidad, nivel de ruido, mantenimiento y repercusiones medioambientales. Asimismo, abarca el cálculo del balance térmico, el diseño de placas de circuito impreso (placa CI), la selección de disipadores térmicos, la gestión del flujo de aire, la simulación y las pruebas en condiciones extremas. Por último, se analizan el controlador inteligente de ventiladores de seis canales MAX31785 de Analog Devices y el controlador de refrigeradores termoeléctricos (TEC) ADN8834 de la misma empresa, destinados a la regulación dinámica de los ventiladores y al control preciso de la temperatura. (Resumen facilitado por ChatGPT).

A medida que crece la demanda de diseños más pequeños y potentes, las pérdidas acumuladas en los transistores de conmutación, los componentes magnéticos, los capacitores y los circuitos integrados generan un estrés térmico que degrada el rendimiento, acorta la vida útil de los componentes y conlleva el riesgo de un fallo total.

Los diseñadores necesitan métodos para gestionar mejor estas fuentes de calor, equilibrar las compensaciones en materia de refrigeración y utilizar controladores específicos para regular de forma precisa y fiable los ventiladores y los refrigeradores termoeléctricos (TEC).

En este artículo se analizan los retos térmicos a los que se enfrentan los diseñadores de fuentes de alimentación. A continuación, se explica cómo abordar estos retos utilizando dispositivos específicos de Analog Devices.

Identificación de fuentes de calor en las fuentes de alimentación

El calor excesivo deteriora los parámetros clave del rendimiento de la fuente de alimentación, reduciendo la eficiencia de conversión, acortando el tiempo medio entre fallos (MTBF) y limitando la densidad de potencia alcanzable. A medida que los diseñadores incorporan más potencia en un volumen más reducido, la gestión térmica se convierte en un reto de diseño fundamental.

Una gestión térmica eficaz comienza por cuantificar las fuentes de calor en cada una de las principales clases de componentes de una fuente de alimentación conmutada (SMPS). Dispositivos como los transistores de efecto de campo de óxido metálico y semiconductor (MOSFET) y los diodos, así como componentes magnéticos como los transformadores y los inductores, generan calor mediante mecanismos bien definidos, lo que se suma al calor generado por los elementos resistivos y los circuitos de control.

Los transistores de conmutación MOSFET disipan potencia tanto a través de las pérdidas por conducción como de las pérdidas por conmutación. Las pérdidas por conducción varían proporcionalmente al cuadrado de la corriente cuadrática media (I²_RMS) que circula a través de la resistencia en estado activo entre el drenaje y la fuente del MOSFET (R_DS(ON)) (ecuación 1).

 Ecuación 1

Las pérdidas por conmutación se producen durante las transiciones y aumentan a medida que crecen la frecuencia y la corriente (ecuación 2), lo que convierte a los MOSFET en una de las principales fuentes de calor en los diseños de fuentes de alimentación con conmutación (SMPS).

 Ecuación 2

Donde:

V_ds = tensión entre el drenaje y la fuente

I_d = corriente de drenaje

t_on, t_off = tiempos de transición de conmutación

f_sw = frecuencia de conmutación

0.5 = suposición de solapamiento lineal entre la tensión y la corriente durante la conmutación

Los diodos generan calor (P_diode) debido a la caída de tensión en sentido directo que se produce cuando la corriente circula a través de ellos (ecuación 3). A altas velocidades de conmutación, la recuperación inversa genera pérdidas adicionales y el calor incremental asociado.

 Ecuación 3

Donde:

V_f = caída de tensión directa (0.7 V para el silicio (Si), 0.3 V para Schottky)

I_avg = corriente media que atraviesa el diodo

El calor generado por los componentes magnéticos se debe a las pérdidas en el cobre debidas a la resistencia del devanado (P_cu), que aumentan con la corriente (ecuación 4), y a las pérdidas en el núcleo (P_core) provocadas por la histéresis y las corrientes parásitas, que aumentan con la frecuencia y la densidad de flujo (ecuación 5) (ecuación de Steinmetz).

 Ecuación 4

Donde:

I_rms = corriente eficaz en el devanado

R_winding = resistencia en CC del devanado

 Ecuación 5

Donde:

k = coeficiente de Steinmetz (específico del material)

f = frecuencia (Hz)

B = densidad de flujo máxima (Tesla)

α β = exponentes de Steinmetz (normalmente α ≈ 1.3 - 1.6, β ≈ 2.0 - 2.8)

V_core = volumen del núcleo (centímetros cúbicos (cm³) o metros cúbicos (m³)

En los capacitores, el calor se genera debido a la corriente de ondulación (I_ripple) que atraviesa su resistencia en serie equivalente (ESR), especialmente en los capacitores electrolíticos, lo que da lugar a un calentamiento localizado (P_ESR) (ecuación 6) en los filtros de las fuentes de alimentación.

 Ecuación 6

Además de la carga térmica propia de los diseños de fuentes de alimentación, se genera calor debido a la disipación de potencia eléctrica (P_d) en el silicio, lo que a su vez provoca que la temperatura de unión (T_j) aumente por encima de la temperatura ambiente (ecuación 7).

 Ecuación 7

Donde:

T_j = temperatura de unión (°C)

T_a = temperatura ambiente (°C)

θ_ja = resistencia térmica desde la unión hasta el entorno (°C por vatio (°C/W))

P_d = disipación de potencia (vatios)

La suma de estas pérdidas en todo el diseño da como resultado la carga térmica total. Una selección cuidadosa de los componentes y un diseño adecuado de los circuitos reducen esa carga en su origen, y un método de refrigeración bien elegido elimina el resto.

Comparación de los métodos de refrigeración de las fuentes de alimentación y sus ventajas e inconvenientes

Una vez determinada la carga térmica, los diseñadores de fuentes de alimentación recurren a cuatro métodos principales de refrigeración, cada uno de los cuales presenta un equilibrio entre la capacidad de disipación térmica y la complejidad, la fiabilidad y la compatibilidad medioambiental.

El método más sencillo es la convección natural, que se basa en un flujo de aire impulsado por la flotabilidad para disipar el calor de los componentes y las carcasas (figura 1). Dado que no utiliza piezas móviles, la convección natural funciona de forma silenciosa y evita los costos, el consumo energético y el mantenimiento asociados a los ventiladores. A menudo se añaden disipadores térmicos para aumentar la superficie disponible para la disipación del calor. Aun así, la capacidad de disipación de calor sigue siendo limitada y su eficacia depende de las condiciones ambientales y de la orientación de la carcasa.

Figura 1: La refrigeración por convección natural se basa en un flujo de aire impulsado por la flotabilidad, lo que permite una disipación del calor silenciosa y altamente fiable, sin piezas móviles, aunque con una capacidad limitada. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cuando la corriente de aire natural no puede hacer frente a la carga térmica, la refrigeración por aire forzado utiliza ventiladores o sopladores para aumentar la transferencia de calor por convección muy por encima de los niveles naturales (Figura 2). Cuando se diseña con un control y una supervisión eficaces de la velocidad del ventilador, este enfoque se adapta a la carga y funciona bien en diseños compactos. A cambio, los diseñadores deben aceptar el desgaste mecánico y el mantenimiento, el ruido audible y la sensibilidad al polvo y a la humedad.

Figura 2: Los ventiladores y sopladores aumentan la transferencia de calor por convección muy por encima de los niveles de la convección natural, pero a costa del desgaste mecánico, el ruido y el mantenimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La refrigeración por conducción sigue un camino diferente, ya que utiliza materiales de interfaz térmica para transferir el calor directamente a un disipador térmico o al chasis (Figura 3). El rendimiento depende de la resistencia térmica de la trayectoria, que viene determinada por el material del conductor y la superficie de contacto disponible para la transferencia de calor. Al no tener piezas móviles, la refrigeración por conducción es resistente y resulta muy adecuada para recintos sellados y entornos hostiles, aunque su rendimiento depende de un diseño mecánico minucioso y de la capacidad del chasis o de la estructura de refrigeración externa para disipar el calor transferido.

Figura 3: La refrigeración por conducción transfiere el calor directamente a un disipador térmico o al chasis a través de materiales de interfaz térmica, lo que la hace adecuada para recintos sellados y entornos hostiles. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Adecuado para cargas térmicas elevadas, el sistema de refrigeración por líquido hace circular el líquido refrigerante a través de placas frías para transferir el calor a los radiadores con el fin de disiparlo (Figura 4). La conductividad térmica y la capacidad calorífica superiores de los líquidos permiten alcanzar las densidades de potencia más elevadas, al tiempo que reducen el ruido de los ventiladores. Estas ventajas conllevan el uso de bombas y tuberías, el riesgo de fugas y el mantenimiento continuo necesario para garantizar un rendimiento térmico óptimo.

Figura 4: La circulación de refrigerante a través de placas de refrigeración y radiadores permite alcanzar las densidades de potencia más elevadas, pero conlleva el uso de bombas y tuberías, lo que aumenta los costos y el riesgo de fugas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la mayoría de los diseños, la elección depende de la cantidad de calor que sea necesario disipar y de las condiciones que permita el entorno de funcionamiento. Por lo tanto, una buena práctica en materia de diseño de sistemas de refrigeración determina la eficacia del método de gestión térmica elegido.

Aplicación de las mejores prácticas en materia de diseño térmico

El diseño térmico comienza con un balance térmico que distribuye el aumento de temperatura admisible a lo largo del diseño, con el apoyo de un análisis de perfiles de potencia que calcula la disipación de potencia de los componentes, incluidas las pérdidas por conmutación, por conducción y magnéticas, en las condiciones de funcionamiento más desfavorables.

En el caso de las placas de circuito impreso (placa CI), un diseño de disposición que tenga en cuenta los aspectos térmicos utiliza planos de cobre que disipan el calor lateralmente, alejándolo de los componentes calientes, y vías térmicas en las placas multicapa que conducen el calor verticalmente hacia las capas internas o hacia el lado opuesto de la placa (Figura 5). Basándose en los resultados del análisis de perfiles de potencia, los diseñadores colocan los componentes de alta potencia cerca de los disipadores de calor u otras vías térmicas para acortar la distancia que debe recorrer el calor, al tiempo que sitúan los componentes electrónicos sensibles al calor lejos de las fuentes de calor para mitigar los efectos térmicos.

Figura 5: Los planos de cobre distribuyen el calor lateralmente, mientras que las vías térmicas lo conducen a través de la placa, lo que convierte a la placa de CI en un eficaz disipador de calor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La selección óptima del disipador térmico y la gestión del flujo de aire son fundamentales para eliminar el calor de los componentes. En este caso, los diseñadores adaptan la resistencia térmica del disipador de calor a la potencia disipada y al flujo de aire disponible, al tiempo que seleccionan características específicas del diseño, como la geometría de las aletas, su orientación y los tratamientos superficiales; por ejemplo, el anodizado, que mejoran aún más la transferencia de calor. La gestión del flujo de aire garantiza que el aire de refrigeración llegue a los componentes que lo necesitan, empezando por unas rejillas de entrada y salida de aire correctamente dimensionadas y colocadas. A continuación, el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) identifica las zonas de recirculación y los puntos muertos antes de la implementación del hardware.

La refrigeración activa ofrece un rendimiento óptimo cuando se combinan con métodos de control dinámico que responden a las variaciones de las cargas térmicas ajustando la velocidad del ventilador mediante modulación por ancho de pulso (PWM) o control de tensión, utilizando la información de retroalimentación de temperatura. Las alarmas térmicas y la detección de averías constituyen un importante elemento de seguridad, ya que alertan al sistema en caso de sobrecalentamiento o cuando un ventilador presenta un deterioro o falla.

Por último, las mejores prácticas en materia de diseño térmico también incluyen un análisis minucioso de las condiciones de funcionamiento a las que se enfrentará el diseño en la práctica. La transferencia de calor por convección depende de la densidad del aire, que varía en función de la altitud, la temperatura y la humedad. El funcionamiento a gran altitud o a altas temperaturas puede requerir una reducción de la potencia nominal de los componentes para tener en cuenta la disminución de la transferencia de calor. En entornos adversos, puede ser necesario utilizar recubrimientos conformados y carcasas selladas para proteger los diseños sensibles.

Cómo evitar los errores más habituales en el diseño térmico

Los fallos de diseño térmico más habituales suelen deberse a un uso ineficaz de estas buenas prácticas. El principal de ellos es subestimar la generación de calor en el peor de los casos. Un diseño calculado únicamente para cargas típicas puede sobrecalentarse cuando coinciden una carga máxima, una temperatura ambiente elevada y una refrigeración reducida.

Los detalles mecánicos acarrean sus propios problemas, empezando por una aplicación incorrecta del material de interfaz térmica —ya sea demasiado grueso, demasiado fino o extendido de forma desigual—, lo que compromete una conducción térmica que, de otro modo, sería adecuada. Una planificación deficiente del flujo de aire priva a los componentes situados más adelante del aire de refrigeración, y la colocación de piezas sensibles al calor cerca de dispositivos que generan calor favorece las desviaciones y los fallos prematuros, incluso cuando las temperaturas generales parecen aceptables.

Los efectos del envejecimiento son fáciles de pasar por alto en la fase de diseño. Los ventiladores se desgastan y pierden velocidad, los materiales de las rejillas se resecan y se deterioran, y el polvo acumulado obstaculiza el flujo de aire. Un diseño que no cuente con margen térmico en el momento de su lanzamiento se enfrentará a un deterioro de la gestión térmica con el paso del tiempo en condiciones reales de uso.

Cuando surgen estos problemas en el lugar, las reparaciones pueden resultar costosas en términos de tiempo de inactividad y recursos. Por consiguiente, es fundamental realizar pruebas en condiciones reales, bajo condiciones controladas pero realistas que representen el peor de los casos, para verificar la gestión térmica. La verificación comienza durante la fase de diseño mediante herramientas multifísicas y de CFD, como Ansys Icepak para el modelado avanzado de CFD, COMSOL Multiphysics para modelar interacciones entre los ámbitos eléctrico y mecánico, SOLIDWORKS Flow Simulation para la integración con el diseño asistido por computadora (CAD) o Simcenter Flotherm para el modelado térmico de placas de circuito impreso.

Las herramientas de simulación ayudan a los diseñadores a modelar las fuentes de calor, el flujo de aire y la distribución de la temperatura en las condiciones más adversas antes de que se fabrique ningún componente de hardware. Aunque la simulación no sustituye a las pruebas térmicas en condiciones reales, permite detectar problemas de diseño y de flujo de aire cuando los cambios aún resultan económicos. Cuando se combinan, la simulación y las pruebas de hardware permiten validar el diseño térmico estático e identificar problemas críticos antes de la producción y la puesta en servicio.

Si bien esta verificación confirma el rendimiento del diseño en las condiciones más adversas, los controladores dedicados proporcionan las capacidades necesarias para responder de forma dinámica a los cambios en las cargas térmicas y las condiciones de funcionamiento.

Control de la refrigeración por aire forzado mediante un regulador inteligente de ventiladores

En los diseños que utilizan refrigeración por aire forzado, el controlador inteligente de ventiladores de seis canales MAX31785AETL+T de Analog Devices simplifica el control PWM y el control de las revoluciones por minuto (RPM) en bucle cerrado mediante la supervisión de la temperatura en tiempo real. Es ideal para equipos como servidores, infraestructuras de comunicaciones y sistemas de alimentación industrial.

El dispositivo permite controlar y supervisar simultáneamente varios ventiladores a través de seis salidas PWM independientes y 12 entradas de tacómetro. Para la supervisión térmica, el controlador admite señales de entrada procedentes de varios sensores, entre los que se incluyen un sensor de temperatura interno y hasta seis diodos térmicos remotos. Gracias a estas funciones, los diseñadores pueden ajustar los ventiladores a la velocidad mínima necesaria para mantener la temperatura deseada, lo que reduce el ruido y el desgaste de los ventiladores. En caso de averías, el sistema de detección de averías integrado en el controlador emite alertas que ayudan a reducir el tiempo de inactividad provocado por ventiladores averiados o temperaturas anómalas.

Funciones como el control de la velocidad del ventilador pueden funcionar de forma automática o mediante comandos del equipo principal. El MAX31785AETL+T proporciona una interfaz de comandos del bus de gestión de energía (PMBus) al host a través de una conexión serial compatible con la señalización del bus entre circuitos integrados (I²C) y del bus de gestión del sistema (SMBus). En el caso de los sistemas que requieren un flujo de aire dinámico para garantizar la fiabilidad del sistema y minimizar el ruido, el controlador permite a los diseñadores ajustar la respuesta de la velocidad del ventilador para equilibrar las necesidades de refrigeración con el ruido audible.

Para agilizar la evaluación y la creación de prototipos, el kit de evaluación MAX31785K de Analog Devices (figura 6) incluye una placa montada y probada con el controlador instalado, un módulo de interfaz USB a I²Cy un ventilador de 12 V. La conexión USB del kit no requiere ningún controlador específico y el software para Windows, que se puede descargar, ofrece a los diseñadores acceso a nivel de registro.

Figura 6: El kit de evaluación MAX31785K ofrece una plataforma ya montada para poner a prueba el control de ventiladores de seis canales en bucle cerrado antes de dar el paso a un diseño de sistema. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Regulación de la refrigeración de precisión mediante un controlador de refrigerador termoeléctrico

La refrigeración por aire forzado es adecuada para numerosas tareas de refrigeración a gran escala; sin embargo, algunas cargas térmicas requieren un control de la temperatura más preciso del que puede proporcionar únicamente la circulación de aire. Los módulos ópticos, los diodos láser y otros componentes similares solo mantienen su rendimiento dentro de un estrecho intervalo de temperaturas. En estas aplicaciones, un TEC proporciona una refrigeración precisa a nivel de componente mediante control electrónico, pero plantea sus propios retos de diseño. El controlador TEC ADN8834WACPZ-R7 de Analog Devices (figura 7) ofrece una solución patentada con un único inductor, diseñada para proporcionar refrigeración TEC en sistemas con limitaciones de espacio.

Figura 7: Un TEC con control en bucle cerrado mantiene cargas en las que la temperatura es un factor crítico, como los diodos láser, dentro de un estrecho margen térmico. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Capaz de suministrar hasta 1.5 amperios (A) de corriente de accionamiento TEC, el ADN8834WACPZ-R7 integra una compensación proporcional-integral-derivativa (PID) para una regulación térmica precisa y admite la monitorización de la temperatura mediante termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) y detectores de temperatura resistivos (RTD) de coeficiente de temperatura positivo (PTC). Su funcionamiento silencioso lo hace adecuado incluso para su uso en sistemas analógicos sensibles al ruido. El ADN8834WACPZ-R7 puede evaluarse mediante la placa de evaluación ADN8834MB-EVALZ (figura 8) y las tarjetas secundarias correspondientes.

Figura 8: El ADN8834MB-EVALZ y las tarjetas secundarias asociadas pueden utilizarse para evaluar el controlador TEC ADN8834WACPZ-R7. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

A medida que aumentan las densidades de potencia, el calor generado por los transistores de conmutación, diodos, componentes magnéticos y capacitores pone en peligro la eficiencia de la fuente de alimentación, su fiabilidad y la vida útil de los componentes. Los diseñadores pueden hacer frente a este reto cuantificando cada mecanismo de pérdida, seleccionando el método de refrigeración que mejor se adapte a la aplicación, siguiendo prácticas de diseño térmico comprobadas y utilizando controladores dedicados para regular con precisión los ventiladores y los refrigeradores termoeléctricos.