Selecionando uma fonte de alimentação embutida

Uma necessidade muito comum é selecionar uma fonte de alimentação AC-DC interna para um produto final na faixa de algumas a várias centenas de watts. Na extremidade inferior, uma alternativa poderia ser uma fonte externa ou "adaptador", mas acima de cerca de 100 W é normal optar por um produto embutido como um módulo comprado, talvez montado em chassi ou PCB. Os corajosos podem até considerar um projeto interno, especialmente se o desempenho exigido não for o padrão.

Por que interno?

Vamos primeiro revisar porque uma fonte de alimentação interna pode ser escolhida. Para produtos comerciais, os consumidores não gostam de 'adaptadores' em linha volumosos, mas com baixa potência, uma 'verruga na parede' não é uma grande imposição e conforme a tecnologia avança, mais potência é extraída de embalagens menores, na medida em que o o adaptador é pouco maior do que o próprio plugue de parede. Usar uma fonte externa também agrada ao projetista do produto - tensões perigosas são mantidas do lado de fora, tornando a certificação de segurança do produto final muito mais fácil.

As desvantagens são que o comprimento do cabo de um adaptador para o produto diminui a tensão, talvez necessitando de reguladores extras no produto e geralmente não há oportunidade para o controle 'inteligente' da fonte de alimentação, como desligamento para o modo 'hibernação' ou ajuste dinâmico da tensão de saída. Outro problema é que a conformidade geral com os padrões EMI ainda é responsabilidade do fabricante do produto final, portanto, um adaptador com sua variabilidade de produção e cabo indeterminado deve ser incluído no teste de EMC e pode produzir resultados inconsistentes. Por esse motivo, não é desconhecido que os adaptadores em linha sejam ajustados internamente aos produtos finais para facilitar a segurança e a conformidade EMI.

Em potências mais altas, ou quando o controle e a funcionalidade são importantes, uma fonte de alimentação interna ou de "equipamento" é preferida. A decisão deve ser tomada o mais cedo possível no processo de desenvolvimento de produto, pois é uma reclamação comum (e muitas vezes justificada) dos engenheiros de energia do sistema de que eles precisam fornecer uma fonte de alimentação embutida que se encaixa "em qualquer espaço que resta". Isso pode levar a compromissos de custo e desempenho e, na pior das hipóteses, à necessidade de uma solução personalizada com atrasos e riscos associados.

Segurança, EMC e conformidade ambiental estão em primeiro lugar

Uma fonte de alimentação embutida deve fornecer os volts e amperes necessários, mas há muitas outras considerações. Talvez os mais importantes sejam segurança, EMC e conformidade ambiental - o uso final do produto é o guia aqui; padrões diferentes se aplicam a uma variedade de aplicações:industrial, doméstica, de teste e medição, médica e automação predial, por exemplo. Se o produto for usado em áreas especializadas, como ferrovias ou militares, os padrões são diferentes novamente. Mesmo dentro das áreas de aplicação, existem variações - ambientes do paciente ou do operador na área médica, por exemplo.

Uma tendência é que os novos padrões de segurança sejam ‘baseados no perigo’, o que obriga um fabricante a considerar adicionalmente como seu produto pode ser mal utilizado; selecionar uma fonte de alimentação interna pelo menos garante que um adaptador inadequado não seja trocado. A seleção das certificações corretas é extremamente importante e complexa, mas fornecedores de fonte de alimentação de boa reputação podem frequentemente ajudar se um engenheiro de conformidade interno experiente não estiver disponível.

A mecânica é talvez a próxima consideração, não apenas a forma e o tamanho, mas também os conectores e dispositivos de resfriamento. Fontes de alimentação de 'estrutura aberta' são populares e de baixo custo, muitas vezes com tampas opcionais que são necessárias se for esperado que um técnico tenha acesso interno ao produto enquanto ele está ligado. Outra alternativa é o formato de trilho DIN, comum em painéis de fiação (Figura 1).

Figura 1:Opções de fonte de alimentação AC-DC internas típicas. (Fonte CUI)

Produtos de fonte de alimentação interna geralmente têm terminais de parafuso ou conectores plug-in para entrada e saída CA, normalmente o estilo 'Molex ™'. Nesse caso, cabos, terminais, fusíveis, interruptores e qualquer conector de chassi devem ser classificados e certificados adequadamente para a aplicação. A interferência pode muito bem ser detectada em cabos de entrada CA externos à fonte de alimentação, mas internos ao produto, portanto, os testes de EMI podem mostrar que um outro filtro certificado montado no chassi é necessário próximo à entrada de energia.

O aterramento precisa de atenção especial; se o conector do módulo de fonte de alimentação estiver desconectado de dentro do produto, ainda deve haver um aterramento separado para o chassi do equipamento na entrada, para o caso de um fio ativo se soltar. Geralmente, todas as conexões de aterramento não devem ser "plugáveis", a menos que o desacoplamento do conector remova as conexões ativas simultânea e completamente do produto. Se este não for o caso, o aterramento deve ser por uma fixação "permanente" que só pode ser afrouxada com uma ferramenta e inclui uma arruela de pressão ou outra técnica antivibração. O código de cores e a bitola da fiação devem ser observados de acordo com o padrão de segurança aplicado, com alívio de tensão do cabo quando necessário.

O fusível de entrada para fontes de alimentação internas deve ser dimensionado com cuidado

Fontes de alimentação internas com conexões CA com fio a um conector de chassi devem incluir um fusível único ou duplo adequado na entrada, conforme apropriado. Lembre-se de que um fusível CA de produto final protege os cabos e conexões upstream, não a fonte de alimentação interna, de curtos e sobrecargas. Certamente, ele deve passar a corrente de operação normal com alguma margem de inrush, mas também deve ser classificado de forma que o cabeamento CA externo para o produto final não seja sobrecarregado antes que o fusível abra após um curto para o aterramento entre o conector do chassi e a alimentação fornecem. Mesmo se o cabo externo for classificado para correntes muito altas, o fusível deve ter menor valor de interrupção do que qualquer fusível ou disjuntor a montante, para evitar uma falha que faça com que vários circuitos sejam desconectados, ou seja, a 'coordenação' correta do fusível - uma preocupação crítica em ambientes profissionais (Figura 2).

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Figura 2:Os valores dos fusíveis em um sistema devem ser ‘coordenados’:valor Fusível 1> Fusível 2> Fusível 3. (Fonte CUI)

Quando tomadas em conjunto, as considerações de conexão AC discutidas influenciam a escolha da fonte de alimentação interna, com o tipo de quadro aberto de menor custo não necessariamente gerando o custo geral de sistema mais barato se tiver apenas conformidade EMC marginal e filtragem extra for necessária.

O método de resfriamento determina o tipo de fonte de alimentação

As considerações de refrigeração são importantes; as fontes de alimentação internas podem ser ventiladas, por convecção natural ou resfriadas por placa de base, dependendo do produto final e de sua aplicação. Os ventiladores podem ser descartados em alguns ambientes, como médicos, por motivos de ruído ou em aplicações onde a substituição seria difícil, mas as fontes de alimentação refrigeradas por ventilador geralmente são menores do que outros tipos. Se for escolhido um fornecimento resfriado por ventilador, os caminhos de entrada e exaustão de ar devem ser cuidadosamente identificados para evitar "pontos mortos" de ar, especialmente se houver outros ventiladores em operação. Fabricantes como a CUI fornecem orientações de fluxo de ar recomendadas e tamanhos de ventiladores nas planilhas de dados de seus produtos; estes devem ser considerados ao projetar a fonte de alimentação em um sistema (Figura 3).

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Figura 3:Recomendações para tamanho, direção e distância do ventilador devem ser consideradas para evitar 'pontos mortos' de ar. (Fonte CUI)

As fontes de alimentação resfriadas por convecção são sensíveis à orientação e devem ser localizadas levando em consideração outros componentes geradores de calor para evitar superaquecimento mútuo. Os fabricantes não podem prever os arranjos do produto final, então irão classificar as fontes de alimentação para uma temperatura ambiente de "operação". Este é o ambiente "local" dentro do invólucro do produto final, que pode ser consideravelmente mais quente do que a temperatura externa e só será conhecido com precisão por meio de simulação e / ou medição em um sistema completo sob condições de carregamento definidas.

Suprimentos resfriados por placa de base também estão disponíveis para gabinetes selados e eliminam a incerteza do caminho do fluxo de calor. No entanto, uma 'parede fria' plana precisa estar disponível, com várias fixações para a fonte de alimentação. Pode ser necessário usar um composto térmico na interface com a folha de transferência de calor de silicone, outra possibilidade.

Ao dimensionar as fontes de alimentação e seus requisitos de resfriamento, vale a pena verificar qual potência de pico e contínua é necessária. Às vezes, uma fonte de alimentação menor e de custo mais baixo pode ser usada se tiver uma classificação de alta potência de surto e a carga for intermitente.

Os especialistas podem orientar sua escolha

Há uma grande variedade de fontes de alimentação internas disponíveis e qual é a melhor depende de muitas considerações. Para custos e riscos mínimos, o tipo de fonte de alimentação deve ser identificado o mais cedo possível, levando em consideração a conformidade com os padrões, a aplicação, o ambiente de resfriamento e a facilidade de integração no cabeamento e na mecânica do produto final.

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Ron Stull é engenheiro de sistemas de energia na CUI Inc. Ron reuniu uma gama de conhecimento e experiência nas áreas de energia analógica e digital, bem como conversão de energia ac-dc e dc-dc desde que ingressou na CUI em 2009. Ele desempenhou um papel fundamental na equipe de engenharia da CUI com responsabilidades, incluindo suporte, teste e validação de aplicativos e design. Fora da engenharia de energia, Ron pode ser encontrado tocando violão, correndo e fazendo turnês ao ar livre com sua esposa, onde o objetivo é visitar todos os parques nacionais dos EUA.

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