¿Por qué los adaptadores externos de CA/CC son casi siempre de una sola vía de alimentación?

Question

Si tengo un producto que requiere varios raíles de tensión internamente, ¿por qué tiene sentido que mi fuente de alimentación externa sólo alimente un único raíl?

Por ejemplo, si tengo un producto que requiere internamente los siguientes raíles de alimentación de CC

• 5V @ 2A, 10W
• 3V3 @ 4A, 13W
• 1V8 @ 4A, 7W

y teniendo un adaptador AC/DC externo, ¿cuáles son las razones para generar un único voltaje más alto (por ejemplo, 24VDC @ 1.25A, 30W) dentro del adaptador cuando todavía necesitaría bajar ese voltaje usando 3 convertidores DC/DC dentro del producto?

Los beneficios que veo para la regulación de dos etapas son, - Mejor regulación de la línea debido a dos etapas de filtrado - Menor coste del enchufe/toma de corriente continua y del cable debido al menor número de conductores. - Menor coste de la clavija/toma y cable de entrada de corriente continua debido a la menor intensidad nominal - Mejor regulación de línea/carga debido a la colocación de la alimentación y la carga.
- Reducción del acoplamiento cruzado de ruidos debido a la tensión única en el cable

Las ventajas que veo para la regulación externa de una sola etapa son, - Menor coste del BoM debido a la eliminación de una etapa reguladora - Mayor eficiencia energética gracias a la eliminación de una etapa reguladora - Mayor rendimiento térmico debido a la eliminación de una etapa del regulador - Todas las pérdidas del regulador se producen fuera del producto - Reducción del tamaño del producto debido a la eliminación de los reguladores (dentro del producto)

¿Hay algo más que me haya perdido?

Si las principales limitaciones de diseño de un producto son el tamaño y la disipación del calor, ¿por qué no iba a ser ésta la opción lógica?

Answer 1

Hay muchas razones para ello, y no siempre es obvio.

Hace años era habitual que las fuentes de alimentación emitieran varios raíles. Normalmente +12, +5 y -12v, pero también eran comunes otras variaciones. Normalmente, la mayor parte de la potencia estaba disponible en el raíl +5v. +12v tenía la segunda mayor cantidad de potencia. Y -12v solía tener la menor.

Pero cuando la lógica digital empezó a funcionar con voltajes más bajos, ocurrieron varias cosas interesantes.

Lo más importante es que subió la corriente. No es una gran sorpresa, la verdad. 12 vatios a 12v es sólo 1 amperio. Pero 12 vatios a 1v requieren 12 amperios. Las CPU modernas de Intel pueden necesitar más de 50 amperios a 1 voltio. Pero a medida que aumenta la corriente, también lo hace la caída de tensión en los cables y, por tanto, se desperdicia energía. Si la fuente de alimentación se encuentra al final de un cable de 1 a 2 pies, las pérdidas de energía son mayores que si la fuente de alimentación se encuentra justo al lado de la carga. Además, tener una regulación de tensión ajustada se vuelve más problemático debido a los efectos inductivos del cable. Por lo tanto, lo adecuado sería que la fuente de alimentación de CA/CC emitiera una tensión más alta y la regulara a una tensión más baja en la carga. La industria parece estar utilizando +12v como ese voltaje de distribución de energía más alto, aunque otros voltajes no son desconocidos.

Por otro lado, el número de raíles de alimentación necesarios en una placa de circuito impreso es cada vez mayor. Un sistema reciente que he diseñado tiene los siguientes raíles: +48v, +15, +12, +6, +3.3, +2.5, +1.8, +1.5, +1.2, +1.0, y -15v. Once raíles de alimentación. Muchos de ellos para circuitos analógicos, pero seis sólo para lógica digital. Y a medida que se desarrollan nuevos chips, el número de raíles de alimentación aumenta y los voltajes disminuyen.

Lo que esto ha hecho a la industria de las fuentes de alimentación AC/DC es que se están estandarizando las fuentes con un único raíl de salida, y ese raíl suele ser +12v, +24v, o +48v-- siendo +12v el más común con diferencia. Desde que todo el mundo empezó a hacer convertidores DC/DC locales en su PCB, y la mayoría tomando +12v, esto tiene más sentido. Además, debido a la gran cantidad de fuentes que se fabrican, una única fuente de +12v de salida es mucho más fácil de conseguir y más barata que cualquier otra fuente.

Por supuesto, hay otros factores que no deben ignorarse. Sin embargo, es difícil ponerse de acuerdo y mucho menos explicar su impacto. A continuación me referiré brevemente a ellos...

Cuando una empresa de PS tiene que decidir qué raíles fabricar, acabaría con tantas variaciones que bien podría construir suministros a medida. A menos que se estandaricen en un par de tensiones comunes con una única salida.

Cuando un PS tiene varias salidas, la corriente suministrada en cada salida suele ser incorrecta. Incluso en las alimentaciones de +5, +12 y -12, la mayor parte de la corriente solía estar en el raíl de +5v. Pero hoy en día estaría en el carril de +12v debido a todos los suministros de punto de carga aguas abajo. Añade las variaciones sobre cómo se distribuye la potencia a los diferentes raíles a las ya enormes opciones de voltaje y para una simple fuente de 3 salidas podrías acabar fácilmente con cientos o miles de variaciones sobre cómo configurar la fuente.

En la construcción de suministros, el volumen importa. Cuantos más fabrique, más baratos le saldrán. Si tiene cien variantes de un suministro, habrá dividido el volumen de cada variante por 100. Eso significa que el coste ha aumentado considerablemente. Eso significa que el coste ha aumentado considerablemente. Pero si fabrica cuatro variantes, el volumen puede seguir siendo alto y el coste bajo.

Si tiene una necesidad específica para lo que será un producto de gran volumen, entonces es habitual tener un suministro completamente a medida. En este caso, un suministro de salida múltiple podría tener sentido.

Las fuentes de salida múltiple tienden a regular sólo un raíl, y permiten que los otros raíles sigan a ése y tengan especificaciones de regulación más laxas. Esto puede no importar para algunos, pero para los raíles de bajo voltaje utilizados por la lógica digital moderna puede ser un asesino.

Así que ahí lo tienes: las fuentes de alimentación de un solo raíl son cada vez más populares debido a los avances tecnológicos, la ley ohmios y la economía.

Actualización: Me refería a las fuentes de alimentación en general. Los mismos conceptos básicos se aplican tanto a fuentes internas como externas.

Answer 2

En primer lugar, la regulación de 24 V a 5 V es bastante requiere regulación de conmutación, sino estarías quemando P=19-I vatios. A veces se necesita una regulación lineal, que exigiría una caída de tensión mucho menor.

En cuanto a por qué no se suelen ver fuentes de alimentación con salidas de 5, 3,3 y 1,8 V, por poner tu ejemplo, hay muchas razones:

• Sus valores son comunes, pero no exactamente una norma. ¿Qué pasará cuando alguien quiera añadir un raíl de 1,2 V, o 1,5 V, o...?

  Si tuviera que diseñar una línea de alimentación que cubriera las 10 tensiones de raíl más comunes y ofreciera todas las combinaciones posibles, sería:

  • carril de tensión único : 10 opciones
  • dos carriles de tensión cualesquiera : 45 opciones
  • tres cualesquiera : 120 opciones
  • cuatro cualesquiera : 210 opciones
  • cinco cualesquiera : 252 opciones
  • seis cualesquiera : 210 opciones
  • siete cualesquiera : 120 opciones
  • ocho cualesquiera : 45 opciones
  • nueve de 10 opciones ferroviarias : 10 opciones
  • los 10 juntos : 1 opción

  Son 1.023 opciones. (2 N -1, donde N=10 aquí).

  Póngase en el lugar del fabricante.

  Su reto: fabricar más de mil productos voluminosos diferentes que difieren en formas que no son fáciles de automatizar. Usted podría software de diseño que podría tomar los parámetros de entrada y escupir un diseño de la placa y la lista de materiales, pero probablemente es más barato pagar a algún ingeniero pobre para moler a través de las opciones.

  Esas más de mil fuentes de alimentación tienen que ser enviadas, almacenadas y reenviadas por la cadena de suministro.

  Algunos serán más populares que otros, por lo que muchos estarán agotados a veces y, cuando lo estén, ocuparán mucho espacio en las estanterías, por lo que serán doblemente caros, lo que hará bajar aún más la demanda, lo que hará subir el coste, lo que...

  Algunas combinaciones de tensiones de raíl serán tan impopulares que ninguno de los distribuidores las tendrá en stock, por lo que habrá que ofrecerlas sólo bajo pedido. Eso es fabricación a medida, lo que significa que tendrás que cobrar al cliente más de lo que le costaría fabricarlo él mismo.

  Al final, te quedas sin negocio.

  Puede reducir en gran medida el número de artículos a almacenar reduciendo N arriba. Con N=5 opciones ferroviarias, sólo tiene que diseñar, fabricar, distribuir y reenviar 31 productos diferentes. Pero ahora se pierde muchas opciones deseadas, por lo que apenas está en mejor situación que la mayoría de sus competidores, que sólo envían de 1 a 3 combinaciones de raíles, pero sus costes son más elevados, por lo que vuelve a quebrar.

• Hablas de ahorrar dinero si la fuente de alimentación externa tuviera los raíles necesarios, pero en realidad no ahorras dinero. Para proporcionar los carriles deseados, todavía tiene que tener los reguladores. Sólo que ahora viven dentro de la fuente de alimentación.

  Si crees que esto no importa, compara los precios de las fuentes de alimentación reguladas frente a las no reguladas. Una fuente no regulada cuesta unos 6 dólares, mientras que una regulada puede costar el doble o más.

• Si colocas los reguladores dentro de la fuente de alimentación, estarán lejos del punto de carga, por lo que tendrás que lidiar con las caídas de IR. Esto puede ser un gran problema cuando las corrientes son altas, como suele ocurrir cuando los voltajes son bajos. Es mucho mejor regular cerca del punto de carga.

Answer 3

Si estuviera diseñando algo que necesitara varios raíles de alimentación diferentes, mi intuición me llevaría a alimentar todos los circuitos de alimentación desde una sola fuente externa.

La razón principal es que me ahorra la molestia, durante el diseño, de tener tres o cuatro fuentes de alimentación alimentando el prototipo. También hay otras razones: -

1. Puede haber problemas de sincronización de potencia que deban controlarse en el producto de destino.
2. CEM: probablemente sea mucho más fácil cumplir la normativa con una sola fuente de alimentación.
3. Los cables y conectores son una fuente de falta de fiabilidad y tener un único suministro mejora la fiabilidad tomada como un sistema completo.

Probablemente también sea más fácil encontrar una verruga de pared estándar.