Selecionando uma fonte de alimentação externa

Escolher uma fonte de alimentação AC / DC pode ser uma tarefa difícil. Deve ser interno ou externo? Estará em conformidade se meu produto for enviado para outras regiões do mundo? Meu produto médico precisa de uma fonte de alimentação que esteja em conformidade com os padrões de segurança médica? Essas são apenas algumas das perguntas que os engenheiros podem fazer ao concentrarem seus esforços nos aspectos da fonte de alimentação de seu novo design de produto.

Determinar o tipo de fonte de alimentação necessária

A decisão de selecionar uma fonte de alimentação externa CA / CC pode ser atribuída a restrições práticas de espaço dentro do produto. Dependendo dos requisitos de energia, as fontes de alimentação internas podem ocupar um espaço valioso, tornando o produto final desnecessariamente maior do que o necessário em comparação com outros designs no mercado. A pegada que um produto ocupa é uma consideração crucial para muitos consumidores, especialmente quando ele pode estar em um balcão ou ao lado de um sistema de mídia. Selecionar uma fonte externa, seja uma fonte de alimentação de mesa ou uma unidade de tomada de parede (Figura 1), pode ser uma escolha prudente por algumas razões práticas, pois mantém o produto final o menor possível.

Figura 1:A família de produtos SWI da CUI oferece uma solução compacta, eficiente e econômica para adaptadores ac-dc de parede (Fonte CUI)

As unidades de tomada de parede tendem a se adequar a produtos que precisam de alimentação CC de apenas alguns watts até aproximadamente 50 Watts. Qualquer coisa além disso exigirá uma unidade de mesa (Figura 2).

Figura 2:O SDI160G-U e o SDI160G-UD oferecem 160 Watts de potência contínua e estão em conformidade com os requisitos UL / EN / IEC 62368-1 (Fonte CUI)

Por conveniência, muitos designers optam por alimentar seus produtos com uma fonte de 5 VCC padrão, portanto, a seleção de uma unidade de plugue de parede com um soquete USB-A padrão torna uma escolha simples para produtos que consomem até 2 Amps. Da mesma forma, projetar seu produto para funcionar com as tensões nominais populares de 12 VCC, 15 VCC ou 24 VCC facilita a seleção, já que a maioria dos fabricantes fornece unidades padrão para essas tensões. Além disso, que tipo de tomada de entrada de energia você pretende usar em seu produto? Ele está disponível como padrão ou por um custo adicional com o fabricante da fonte de alimentação? Não se esqueça de verificar os requisitos de potência de pico de seu projeto, pois isso determinará o adaptador que você precisa escolher. Optar por usar uma unidade que não oferece potência de pico de saída suficiente, especialmente aquelas que têm uma carga indutiva, como um motor, pode resultar no superaquecimento da fonte de alimentação, causando estresse desnecessário nos componentes e reduzindo a confiabilidade do produto.

Compare seus requisitos com as especificações da folha de dados

Certifique-se de estudar cuidadosamente as planilhas de dados de fontes de alimentação potenciais, uma vez que alguns fatores podem não ser tão aparentes quanto a tensão de saída e a classificação de corrente.

Muitas fontes de alimentação de parede fornecem uma saída CC que flutua em relação ao aterramento. Denominados de Classe II, esses suprimentos não fornecem acesso a uma conexão de aterramento de proteção, você precisará de um suprimento de Classe I para isso e tendem a ser unidades de mesa.

Outras especificações a serem verificadas na folha de dados incluem regulação de linha, oscilação e ruído, recursos de proteção e aprovações.

A regulação dá uma medida de quão perto uma fonte de alimentação pode manter sua tensão de saída em relação à saída nominal declarada. A regulação adequada pode ser de +/- 10%, mas se a sua aplicação for sensível a alterações de entrada de tensão, este recurso precisa de mais consideração. Para uma saída nominal de 12 VCC, uma regulação de +/- 10% significa que a tensão de saída pode variar de 10,8 VCC a 13,2 VCC. Ondulação e ruído geralmente estarão presentes na saída CC e, novamente, circuitos incorporados sensíveis podem estar sujeitos a ruído excessivo nas linhas de alimentação. O uso de componentes de filtragem adicionais pode ajudar, mas lembre-se de que eles aumentarão o custo da sua lista de materiais e ocuparão um espaço valioso do PCB.

Ao examinar as especificações elétricas, verifique quais tipos de recursos de proteção a fonte de alimentação tem como padrão. Sobretensão de saída, sobrecorrente de saída e superaquecimento são proteções populares, mas se o seu produto pode funcionar erraticamente se a tensão de entrada cair abaixo de uma dada tensão, um requisito de bloqueio de subtensão também pode ser importante.

Padrões de segurança e eficiência energética

As aprovações de fontes de alimentação incorporam aspectos de segurança, eficiência energética e compatibilidade eletromagnética. Todos os padrões a seguir se aplicam não apenas à fonte de alimentação, mas também ao produto conectado a ela como um todo. O padrão interno IEC-62368 estipula fatores de segurança, como correntes de fuga máximas permitidas e tensões de isolamento de entrada e saída para equipamentos comerciais, de TI e AV. A Figura 3 ilustra os riscos potenciais à segurança e os requisitos de teste de isolamento. O isolamento evita que a tensão letal da linha CA passe para a saída CC.

Figura 3:Requisitos de teste de isolamento para um adaptador de energia CA / CC (fonte CUI)

A IEC-62368 se tornará lei em dezembro de 2020, tendo sido determinada anteriormente por duas normas IEC-60950 (sistemas de TI) e IEC-60065 (equipamentos AV). Este padrão de segurança também estipula as distâncias mínimas relacionadas a tensões de tensão dentro da fonte de alimentação especificadas em termos de fuga (o caminho da superfície entre dois pontos) e folga (a distância de entreferro direta). Qualquer fonte de alimentação usada para alimentar aparelhos médicos com potencial para entrar em contato com o paciente, como monitores de pressão arterial, equipamentos de diagnóstico ou oxímetros, deve estar em conformidade com a IEC 60601-1 4ª edição.

A eficiência energética é um aspecto essencial de qualquer fonte de alimentação. Os padrões do European Ecodesign 2019/1782 e do Departamento de Energia dos EUA Nível VI estipulam os requisitos mínimos de eficiência ativa média; a média da eficiência medida em 25%, 50%, 75% e 100% da carga. O ecodesign exige ainda a documentação da eficiência em 10% da carga total. Consulte a Figura 4 para ver a evolução cronológica dos padrões de eficiência energética. Eles também têm limites específicos para o consumo de energia quando não há carga ou o produto final está em espera.

clique para ver a imagem em tamanho real

Figura 4:Linha do tempo dos padrões de eficiência energética (Fonte CUI)

A eficiência energética recentemente se beneficiou dos avanços nas tecnologias de processo de semicondutores, com carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) provando ser bem adequados para aplicações de conversão de energia.

O aspecto final das aprovações cobre o quão suscetível uma fonte de alimentação pode ser aos efeitos de inferência eletromagnética externa e também se a própria fonte de alimentação gera EMI acima dos níveis aceitáveis. Os padrões FCC Parte 15 Classe B, CISPR 32 e IEC 61204-3 se aplicam.

A seleção de um adaptador de fonte de alimentação externa não precisa ser uma tarefa errônea. Uma revisão completa dos requisitos de fonte de alimentação e uma comparação diligente dos recursos da folha de dados podem simplificar o projeto significativamente.