Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
25
A na t om í a d e F ue nt es de A l i m entaci ón C onmut ad as I n t r o d u cc i ó n Las fuentes de alim en taci ón utilizadas enl as P C se ba sanen un a t ecnol og ía ll am ad a " m od o de conm utaci ón " y po r lo tanto tambiénse conocen com o S M P S( S w i t chi ng M ode P ow er S up pli es) . En e ste t u t o r i a l va m os a ex p l i car có m o f u n ci o n a n y va m o s a o f r e ce r un v i a j e a l i n t e r i or d e l a f u e n t e d e al im en taci ón de P C pa r a m ostr ar sus p rinci pa l es com po nent es y l o qu e ha cen . Hay dos di señ os bá si co s d e fu en tes de ali m e ntaci ón : li n ea l e s y co n m utad as . L a s f u e n tes lin ea les tr a ba j a n t o m a n d o 1 2 7 Vo 2 20 V de l a red e l é ct ri ca y l o b a j a n a u n va l o r in f e rior (p o r e j e m p l o , 12 V) u tili za n d o un transfor m a do r. E st a t e n sión m á s b aj a e s a ún C A. A co nti n u a ci ó n , la r e cti fi c a ci ó n se r e a li za p o r u n c o n j u nt o d e di o d o s, tr a n sf o rman d o e st e v ol t a j e d e C A e n v o l t a j e p u l sa nte ( n ú m e ro 3 e n l a s fi g ur a s 1 y 2 ) . E l si g u ient e p aso es e l fi l tr a do , q u e se r e a l iza m e d i a n te u n co n d e n sa dor el e ctrolítico, t r an sf o rm a n d o este v o lt a j e pu lsa n t e en ca si C C ( n ú m e ro 4 enl a s fi gur a s 1 y 2 ). LaCC ob t en i da de spués de l con de nsa do r oscila unpoco (esta oscilaci ón se d en om ina o n d u l a ci ón ) , p o r l o q ue e s n e ce sa r i a u na e t a p a d e r e g u l a ci ó n d e l a te n si ó n . E sta r eg u l a ci ón l a r e a l izau n d i o d o z e n e r ( se mi co n d uctor q u e m a n t i e n e e l vo l t a j e c o n sta n te ) o u n c ircuit o i n t e g r a d o r eg u lad o r de t en si ó n. D e spu és d e est a e t ap a, l a sa lidaes t en si ón de CCver d ader a ( nú m e ro 5 e n la s fi g ur a s 1 y 2 ). F i g u ra 1: D iagram a d e b l o ques pa ra undi se ñoline a l e st á nd ar de f ue nt e d e alim e nt ac i ón . F i g u ra 2: F or m as d e on daque seencuentranen un a f ue nte de ali m entaciónli ne al. A u n q u e l a s f u e nt e s de ali m e n t a ci ón lin e a l e s fu n ci o n a n mu y b ien p a r a va ri a s a pli ca ci o n e s d e b a j a p ote n cia (tel é f o n o s i n a l á m b ri co s y co n sola s d e vi d e o j u e g o s, p o r e j e m p lo), cu an d o se ne cesi t a alta p o te n ci a l a s f u e nt e s d e a l i m en t a ci ó n l i n e a l e s p u e d e n ser, l i t e r a l m e n t e , m u y g r a n d e p ara l a t a re a . E l t a m a ñ o de l tr a n sf o rm a d o r y l a c a p a cit an cia ( y p o r lo t a n t o el tam a ñ o ) d e l co n d e n sa do r e l e ct r o l í t i co so n i n ve r sa m e n t e p r o p o r ci o n a l e s a l a f recuen ci a d e l a t e n si ó n a l t e rna d e e ntr a d a :
Transcript of Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 1/24
Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
Introducción
Las fuentes de alimentación utilizadas en las PC se basan en una tecnología llamada "modo de
conmutación" y por lo tanto también se conocen como SMPS (Switching Mode Power Supplies). Eneste tutorial vamos a explicar cómo funcionan y vamos a ofrecer un viaje al interior de la fuente de
alimentación de PC para mostrar sus principales componentes y lo que hacen.
Hay dos diseños básicos de fuentes de alimentación: lineales y conmutadas.
Las fuentes lineales trabajan tomando 127 V o 220 V de la red eléctrica y lo bajan a un valor inferior
(por ejemplo, 12 V) utilizando un transformador. Esta tensión más baja es aún CA. A continuación,
la rectificación se realiza por un conjunto de diodos, transformando este voltaje de CA en voltaje
pulsante (número 3 en las figuras 1 y 2). El siguiente paso es el filtrado, que se realiza mediante un
condensador electrolítico, transformando este voltaje pulsante en casi CC (número 4 en las figuras1 y 2). La CC obtenida después del condensador oscila un poco (esta oscilación se denomina
ondulación), por lo que es necesaria una etapa de regulación de la tensión. Esta regulación la
realiza un diodo zener (semiconductor que mantiene el voltaje constante) o un circuito integrado
regulador de tensión. Después de esta etapa, la salida es tensión de CC verdadera (número 5 en
las figuras 1 y 2).
Figura 1: Diagrama de bloques para un diseño lineal estándar de fuente de alimentación.
Figura 2: Formas de onda que se encuentran en una fuente de alimentación lineal.
Aunque las fuentes de alimentación lineales funcionan muy bien para varias aplicaciones de baja
potencia (teléfonos inalámbricos y consolas de videojuegos, por ejemplo), cuando se necesita alta
potencia las fuentes de alimentación lineales pueden ser, literalmente, muy grande para la tarea.
El tamaño del transformador y la capacitancia (y por lo tanto el tamaño) del condensador
electrolítico son inversamente proporcionales a la frecuencia de la tensión alterna de entrada:
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 2/24
cuanto menor es la frecuencia de la tensión de CA, más grande es el tamaño de los componentes y
viceversa. Dado que las fuentes de alimentación lineales todavía utilizan los 60 Hz (o 50 Hz,
dependiendo del país) de frecuencia de la red eléctrica (que es una frecuencia muy baja), el
transformador y el condensador son muy grandes
También, cuanto mayor es la corriente (es decir, la potencia) exigida por el circuito alimentado por la
fuente, más grande es el transformador.
La construcción de una fuente de alimentación lineal para la PC sería una locura, ya que sería muy
grande y muy pesada. La solución fue utilizar el enfoque de conmutación de alta frecuencia.
En fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia, el voltaje de entrada tiene su frecuencia
aumentada antes de entrar en el transformador (50-60 kHz son valores típicos). Con el aumento de
la frecuencia de la tensión de entrada, el transformador y el condensador electrolítico pueden ser
muy pequeños. Este es el tipo de alimentación que se utiliza en la PC y otros equipos electrónicos,
como reproductores de video.
La fuente de alimentación utilizada en la PC utiliza un enfoque aún mejor: se trata de un sistema debucle cerrado. El circuito que controla el transistor de conmutación recibe retroalimentación de las
salidas de suministro de energía, aumentando o disminuyendo el ciclo de trabajo de la tensión
aplicada al transformador de acuerdo con el consumo de la PC (este enfoque se denomina PWM,
Pulse Width Modulation). Así la fuente de alimentación se reajusta dependiendo del consumo del
dispositivo conectado a ella. Cuando su PC no está consumiendo una gran cantidad de energía, el
suministro se reajusta para entregar menos corriente, haciendo que el transformador y todos los
demás componentes disipen menos energía (es decir, se genera menos calor).
En fuentes de alimentación lineales, la fuente está ajustada para entregar su potencia máxima,
incluso si el circuito que está conectado a ella no está tirando una gran cantidad de corriente. El
resultado es que todos los componentes están funcionando a su máxima capacidad, incluso si no
es necesario. El resultado es la generación de un calor mayor.
Diagrama de la fuente de alimentación conmutada
En las figuras 3 y 4 se puede ver el diagrama de bloques de una fuente de alimentación conmutada
con retroalimentación PWM utilizada en las PC. En la Figura 3 se muestra el diagrama de bloques
de una fuente sin circuito PFC (Power Factor Correction), utilizado por las fuentes de alimentación
baratas, y en la Figura 4 se muestra el diagrama de bloques de una fuente con el circuito PFC
activo, que es utilizado por fuentes de alimentación caras.
Figura 3: Diagrama de bloques para un diseño de fuente de alimentación conmutada con
PWM (sin PFC).
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 3/24
Figura 4: Diagrama de bloques de un diseño de fuente de alimentación conmutada con
PWM y PFC activo.
Como se puede ver, las fuentes de alimentación con PFC activo no tienen un interruptor de 110/220
V y tampoco tienen un circuito doblador de tensión, pero por supuesto que tienen el PFC activo del
que vamos a hablar más adelante.
Este es un diagrama muy básico. No se incluyeron los circuitos adicionales como protección contra
cortocircuitos, circuito auxiliar, generador de señal power good, etc, para hacer que el diagrama sea
sencillo de entender. Si se quiere un esquema más detallado, hay que ver la Figura 5.
Figura 5: Esquema de una fuente de alimentación ATX de gama baja típica.
El circuito PWM hace la regulación de voltaje. El voltaje de entrada se rectifica antes de pasar a los
transistores de conmutación, y lo que envían al transformador es de onda cuadrada. Así que lo que
tenemos en la salida del transformador es una forma de onda cuadrada, no una forma de onda
sinusoidal. Dado que la forma de onda ya es cuadrada, es muy simple transformarla en un voltaje
de CC. Así que después de la rectificación que está después del transformador, el voltaje ya es CC.
Es por eso que algunas veces las fuentes de alimentación conmutadas son también conocidascomo convertidores CC-CC.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 4/24
El bucle de retorno utilizado para alimentar el circuito de control PWM es el encargado de realizar
toda la regulación necesaria. Si la tensión de salida es errónea, el circuito de control de PWM
cambia el ciclo de trabajo de la señal aplicada a los transistores con el fin de corregir la salida. Esto
sucede cuando el consumo de energía de la PC se incrementa, situación en la que la tensión de
salida tiende a caer, o cuando disminuye el consumo de energía de la PC, situación en la que la
tensión de salida tiende a aumentar.
Antes de continuar es necesario tener en claro lo siguiente:
• Todo lo que está antes del transformador se denomina "primario" y todo lo que está después se le
llama "secundario".
• Las fuentes de alimentación con circuito PFC activo no tienen un interruptor de 110 V / 220 V.
Asimismo, no tienen un doblador de tensión.
• En fuentes de alimentación sin PFC, si el 110 V / 220 V se fija a 110 V, la fuente de utilizará un
doblador de tensión, con el fin de hacer que la tensión siempre esté alrededor de 220 V antes del
puente de rectificación.
• En las fuentes de alimentación de PC dos transistores MOSFET de potencia hacen de
conmutador. Se pueden utilizar varias configuraciones diferentes y vamos a hablar más sobre estomás adelante.
• La forma de onda aplicada al transformador es cuadrada. Por lo tanto la forma de onda que se
encuentra en la salida del transformador es cuadrada, no sinusoidal.
• El circuito de control de PWM (que suele ser un circuito integrado) se aísla de la primaria a través
de un pequeño transformador. A veces, en lugar de un transformador se utiliza un optoacoplador
(un pequeño circuito integrado que contiene un LED y un fototransistor).
• Como hemos mencionado, el circuito de control PWM utiliza las salidas de la fuente de
alimentación para controlar cómo se van a manejar los transistores de conmutación. Si la tensión
de salida es errónea, el circuito de control de PWM cambia la forma de onda aplicada en los
transistores de conmutación con el fin de corregir la salida.
Dentro de una fuente de alimentación de PC
Después de la apertura de una fuente de alimentación por primera vez (no hacerlo con su cable de
alimentación conectado o se obtendrá una descarga eléctrica), podremos reconocer al menos dos
cosas que ya conocemos: el ventilador de la fuente y algunos disipadores.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 5/24
Figura 6: Dentro de una fuente de alimentación de PC.
Podemos reconocer fácilmente los componentes que pertenecen a la primaria y los componentesque pertenecen a la secundaria.
En la primaria encontraremos uno (en fuentes de alimentación con un PFC activo) o dos (en las
fuentes de alimentación sin PFC) grandes condensadores electrolíticos.
Por lo general, las fuentes de alimentación de PC tienen tres transformadores entre dos grandes
disipadores de calor, como se puede ver en la figura 7. El transformador principal es el más grande.
El transformador mediano se utiliza para generar la salida de +5 VSB y el transformador más
pequeño es usado por el circuito de control de PWM para aislar la secundaria de la primaria (este
es el transformador etiquetado como "isolator" en las Figuras 3 y 4). Varias fuentes de alimentaciónen lugar de utilizar un transformador como aislador, utilizan uno o más acopladores ópticos (se ven
como pequeños circuitos integrados), así que en las fuentes de alimentación que utilizan estos
componentes probablemente encontraremos sólo dos transformadores. Vamos a hablar más sobre
esto más adelante.
Uno de los disipadores de calor pertenece a la primaria y la otra pertenece a la secundaria.
En el disipador de calor de la primaria se encuentran los transistores de conmutación y también los
transistores y diodos de PFC, si la fuente de alimentación tiene PFC activo. Algunos fabricantes
pueden optar por utilizar un disipador de calor separado para los componentes de PFC activo,
entonces podemos encontrar dos disipadores de calor en la primaria.
En el disipador de calor de la secundaria se encuentran varios rectificadores. Se ven como
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 6/24
transistores pero tienen dos diodos de potencia en el interior.
También encontraremos diversos condensadores electrolíticos más pequeños y bobinas que
pertenecen a la fase de filtrado.
Una forma más fácil de encontrar el secundario y el primario es siguiendo los cables de
alimentación. Los cables de salida se conectan a la secundaria, mientras que los cables de entrada
(los que vienen del cable eléctrico) se conectarán a la primaria (Figura 7).
Figura 7: Localización de la primaria y la secundaria.
Ahora vamos a hablar acerca de los componentes que se encuentran en cada fase de la fuente de
alimentación.
Filtrado transitorio
La primera etapa de una fuente de alimentación de PC es el filtrado transitorio. En la figura 8 se
puede ver el esquema del filtro transitorio recomendado.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 7/24
Figura 8: Filtro transitorio.
Decimos "recomendado", porque muchas fuentes de alimentación, especialmente las económicas,
no van a tener todos los componentes que se muestran en la Figura 8. Así que una buena manera
de comprobar si la fuente de alimentación es buena o no, es comprobando si su etapa de filtrado
transitorio tiene todos los componentes recomendados o no.
Su principal componente se llama MOV (Metal Oxide Varistor) o varistor, RV1 en el esquema, que
es responsable de cortar los picos de voltaje (transitorios) que se encuentran en la línea de
alimentación. Este es exactamente el mismo componente que se encuentra en supresores de
sobretensión. El problema, sin embargo, es que las fuentes de alimentación baratas no llevan este
componente con el fin de ahorrar costos. En fuentes de alimentación con un MOV, los supresores
de sobretensión son inútiles, puesto que ya tienen un protector de alteraciones dentro de ellos.
L1 y L2 son bobinas de ferrita. C1 y C2 son condensadores de disco, normalmente azules. Estos
condensadores también se conocen como "condensadores Y". C3 es un condensador de poliéster
metalizado, normalmente con valores como 100 nF, 470 nF o 680 nF. Este condensador también se
llama "condensador X". Algunas fuentes de alimentación tienen un segundo condensador X,
instalado en paralelo con la línea de alimentación principal, donde está RV1 en la Figura 8.
Un condensador X es cualquier condensador que tiene sus terminales conectados en paralelo a la
línea de alimentación principal. Los condensadores Y vienen en pares, necesitan ser conectados
entre sí en serie con el punto de conexión entre ellos a tierra, es decir, conectado al chasis de la
fuente de alimentación. Luego se conectan en paralelo a la línea de alimentación principal.
El filtro transitorio no sólo filtra los transitorios provenientes de la línea de energía, sino que también
evita el ruido generado por los transistores de conmutación, que volvería a la línea de alimentación
provocando interferencias en otros equipos electrónicos.
Veamos algunos ejemplos del mundo real. En la Figura 9 se ve que esta fuente simplemente no
tiene un filtro transitorio. Esta fuente de alimentación es una unidad "genérica" barata. Si se presta
atención se pueden ver las marcas de la placa de circuito impreso donde se deben instalar los
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 8/24
componentes de filtrado.
Figura 9: Esta fuente de alimentación barata "genérica" no tiene ni siquiera una
etapa de filtrado transitorio.En la Figura 10 se puede ver el filtrado transitorio de una fuente de energía barata. Como se puede
ver, el MOV ha desaparecido y esta fuente de tiene una sola bobina (falta L2). Por otro lado, tiene
un condensador X adicional (colocado donde está RV1 en la Figura 8).
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 9/24
Figura 10: Filtrado transitorio en una fuente de energía barata.
En algunas fuentes de alimentación el filtro transitorio puede estar dividido en dos etapas
separadas, una soldada al conector de alimentación de entrada y la otra en la placa de circuito
impreso de alimentación, como se puede ver en la fuente que se muestra en las figuras 11 y 12.
En esta fuente de alimentación se puede encontrar un condensador X (en reemplazo de RV1 en la
Figura 8) y la primera bobina de ferrita (L1) soldada en una pequeña placa de circuito impreso que
conecta al conector principal de alimentación de CA.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 10/24
Figura 11: Primera etapa de filtrado transitorio.
En la placa de circuito impreso de la fuente se encuentran los otros componentes. Como se puede
ver, esta fuente tiene un MOV, a pesar de que se coloca en una posición inusual, después de la
segunda bobina. Si se presta atención, esta fuente de alimentación cuenta con más de la cantidad
recomendada de componentes, ya que tiene todos los componentes que se muestran en la Figura
8, además de un condensador X extra.
Figura 12: Segunda etapa de filtrado transitorio.
Este MOV es de color amarillo, sin embargo, el color más común es azul oscuro.
También se puede encontrar un fusible cerca del filtro transitorio (F1 en la figura 8, ver también las
figuras 9, 10 y 12). Si se funde el fusible hay que tener cuidado ya que por lo general indica que
uno o más componentes están defectuosos. Si se sustituye el fusible, el nuevo probablemente
vuele inmediatamente después de encender la computadora.
Doblador de tensión y rectificador primario
En las fuentes de alimentación sin circuito PCF activo se encuentra un doblador de tensión. El
doblador de tensión utiliza dos condensadores electrolíticos grandes. Así que los condensadores
más grandes que se encuentran en la fuente de alimentación pertenecen a esta etapa. Como
mencionamos antes, el doblador de tensión sólo se utiliza si se va a conectar la fuente a una red
eléctrica de 127 V.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 11/24
Figura 13: Condensadores electrolíticos del doblador de tensión.
Figura 14: Condensadores electrolíticos del doblador de tensión retirados de la fuente de
alimentación.
Al lado de los dos condensadores electrolíticos se encuentra un puente rectificador. Este puente
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 12/24
puede estar formado por cuatro diodos o por un único componente (ver Figura 15). En las fuentes
de alimentación de alto rendimiento este puente rectificador está conectado a un disipador de
calor.
Figura 15: Puente de rectificación.
En la primaria también se encuentra un termistor NTC, que es una resistencia que cambia su valor
de acuerdo a la temperatura. Se utiliza para reconfigurar la fuente después de que se utiliza por un
tiempo y se calienta. NTC significa coeficiente negativo de temperatura. Este componente se
asemeja a un condensador de disco de cerámica y es por lo general verde oliva.
PFC activo
Obviamente este circuito sólo se encuentra en las fuentes de alimentación que tienen PFC activo.
En la Figura 16 se puede estudiar el circuito PFC activo típico.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 13/24
Figura 16: PFC Activo.
El circuito PFC activo normalmente utiliza dos transistores de potencia MOSFET. Estos transistores
están unidos al disipador de calor que se encuentra en la etapa primaria de la fuente de
alimentación. Para una mejor comprensión, etiquetamos el nombre de cada terminal MOSFET, S
para surtidor, D para drenador y G para compuerta.
El diodo PFC es un diodo de potencia que por lo general utiliza un empaquetado similar a los
transistores de potencia (pero tiene sólo dos terminales), y también está unido al disipador de calor
que se encuentra en la etapa primaria de la fuente de alimentación.
La bobina de PFC que se muestra en la Figura 16 es la más grande de las bobinas en la fuente de
alimentación.
El condensador electrolítico es el gran condensador que se encuentra en la sección primaria de lasfuentes de alimentación con PFC activo.
La resistencia que se muestra es un termistor NTC.
El circuito de control PFC activo generalmente se basa en un circuito integrado. A veces, este
circuito integrado también se encarga de controlar el circuito PWM (utilizado para controlar los
transistores de conmutación). Este tipo de circuito integrado se denomina "combo PFC / PWM".
Veamos ahora algunos ejemplos del mundo real. En la figura 17 hemos eliminado el disipador de
calor principal para que se puedan ver mejor los componentes. En el lado derecho se aprecian los
componentes de filtrado transitorio que ya hemos discutido. En el lado izquierdo se puede ver los
componentes de PFC activo. Dado que hemos eliminado el disipador de calor, los transistores y el
diodo PFC faltan en esta figura. Si se presta atención, se ve que esta fuente de alimentación utiliza
un condensador X entre el puente rectificador y el circuito PFC activo (componente de color marrón
por debajo del disipador de calor del puente rectificador). Por lo general, el termistor, que se
asemeja a un condensador de cerámica del disco y es de color verde oliva, utiliza una protección
de goma, como se puede ver. Como hemos mencionado, la bobina más grande de la fuente de
alimentación es generalmente la bobina del PFC activo.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 14/24
Figura 17: Componentes PFC Activo.
En la Figura 18 se pueden ver los componentes que están conectados al disipador de calor que se
encuentra en la sección primaria de la fuente de alimentación, representado en la figura 17.
Podemos ver los dos transistores MOSFET de potencia y el diodo de potencia del circuito PFC
activo.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 15/24
Figura 18: Componentes conectados al disipador de calor primario.
En la Figura 18 también se pueden ver los dos transistores de conmutación utilizados por esta
fuente, que es nuestro próximo tema.
Transistores de conmutación
La sección de conmutación de fuentes de alimentación conmutadas se puede construir utilizando
varias configuraciones diferentes. Se resumieron los más comunes en la siguiente tabla.
Configuration Number of Transistors Number of Diodes Number of Capacitors
Transformer Pins Single-Transistor Forward 1 1 1 4 Two-Transistor Forward 2 2 0 2 Half
Bridge 2 0 2 2 Full Bridge 4 0 0 2 Push-Pull 2 0 0 3
Read more at http!!www"hardwarese#rets"#om!anatom$-of-swit#hing-power-
supplies!%!&u'r(S2o)wh*Se+,"..
Por supuesto sólo estamos analizando el número de componentes necesarios, hay otros aspectos
que los ingenieros deben tener en cuenta al momento de decidir qué configuración utilizar.
Las dos configuraciones más comunes para fuentes de alimentación de PC son la de dos
transistores adelante y la de push-pull, y ambas utilizan dos transistores de conmutación. Estos
están unidos al disipador de calor que se encuentra en la sección primaria de la fuente.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 16/24
A continuación mostramos los esquemas para cada una de estas cinco configuraciones.
Figura 19: Configuración de un transistor adelante.
Figura 20: Configuración de dos transistores adelante.
Figura 21: Configuración de medio puente.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 17/24
Figura 22: Configuración de puente completo.
Figura 23: Configuración push-pull.
Transformadores y circuito de control PWM
Como hemos mencionado anteriormente, una fuente de alimentación de PC típica tiene tres
transformadores. El grande es el que se muestra en nuestro diagrama de bloques (Figuras 3 y 4) y
esquemas (Figuras 19 a 23), donde su primaria está conectada a los transistores de conmutación y
su secundaria está conectada a los diodos rectificadores y circuitos de filtrado que proporcionarán
las salidas de la fuente de alimentación de CC (+12 V, +5 V, +3,3 V, -12 V y -5 V). El segundo
transformador se utiliza para generar la salida de +5 VSB. Un circuito independiente genera esta
salida, también conocida como "energía de reserva". La razón de esto es porque esta salidasiempre está encendida, incluso cuando la fuente se "apaga" (es decir, está en modo de espera). El
tercer transformador es un transformador aislador, que conecta el circuito de control PWM con los
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 18/24
transistores de conmutación (descrito como "isolator" en nuestro diagrama de bloques). Este tercer
transformador puede no existir, siendo sustituido por uno o más optoacopladores, que lucen como
un pequeño circuito integrado (ver la Figura 25).
Figura 24: Transformadores de la fuente.
Figura 25: Esta fuente de alimentación utiliza acopladores ópticos en lugar de utilizar un
transformador para aislar el circuito PWM.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 19/24
El circuito de control de PWM se basa en un circuito integrado. Las fuentes de alimentación sin
PFC activo por lo general utilizan un circuito integrado TL494 (en la fuente de alimentación
representada en la figura 26 se utilizó una parte compatible, DBL494). En fuentes de alimentación
con PFC activo a veces se utiliza un circuito integrado que combina PWM y control PFC. CM6800
es un buen ejemplo de circuito integrado combinado PWM / PFC. Otro circuito integrado se utiliza
generalmente en la fuente para generar la señal de power good. Vamos a hablar más sobre ellomás tarde.
Figura 26: Circuito de control PWM.
La etapa secundaria
Por último, la etapa secundaria. Aquí las salidas del transformador principal se rectifican y filtran y
luego son entregadas a la PC. La rectificación de los voltajes negativos (-5 V y -12 V) se hace
mediante diodos convencionales, ya que no requieren una gran cantidad de energía y corriente. Sin
embargo, la rectificación de los voltajes positivos (+3,3 V, +5 V y +12 V) se realiza mediante
rectificadores Schottky de potencia, que son componentes de tres terminales que se parecen a los
transistores de potencia pero tienen dos diodos de potencia en el interior. La forma en que serealiza la rectificación depende del modelo de fuente de alimentación y son posibles dos
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 20/24
configuraciones, que se muestran en la Figura 27.
Figura 27: Configuraciones de rectificación.
La configuración "A" es la más utilizada por las fuentes de alimentación de gama baja. Como se
puede ver, esta configuración necesita tres clavijas del transformador. La configuración "B" es más
utilizada por las fuentes de alimentación de alta gama. Aquí sólo se utilizan dos pines del
transformador, sin embargo, la bobina de ferrita debe ser físicamente más grande y por lo tanto
más cara, y esa es una de las principales razones por las que las fuentes de alimentación de gama
baja no utilizan esta configuración.
También en fuentes de alimentación de alta gama, con el fin de aumentar la corriente máxima que
la fuente puede entregar, se pueden conectar en paralelo dos diodos de potencia, duplicando así la
corriente máxima que el circuito puede manejar.
Todas las fuentes de alimentación tienen un circuito completo de rectificación y filtrado para las
salidas de +12 V y +5 V, por lo que todas las fuentes de alimentación tienen al menos dos circuitos
como los que se muestran en la Figura 27.
Sin embargo, para la salida de +3,3 V, se pueden utilizar tres opciones:
• Adición de un regulador de voltaje de +3,3 V a la salida de +5 V. Esta es la opción más común en
las fuentes de alimentación de gama baja.
• Adición de un circuito completo de rectificación y filtrado como el que se muestra en la Figura 27
para la salida de +3,3 V, pero compartiendo la misma salida del transformador utilizado por elcircuito de rectificación de +5 V. Esta es la opción más común para las fuentes de alimentación de
alta gama.
• Uso de un circuito completo e independiente de rectificación y filtrado para la salida de +3,3 V.
Esto es muy raro y se encuentra en fuentes caras y de muy alta calidad.
Debido a que la salida de +3,3 V por lo general utiliza el circuito de +5 V total (en las fuentes de
gama baja) o en parte (en las fuentes de gama alta), la salida de +3,3 V está limitada por la salida
de +5 V y viceversa. Es por eso que las fuentes tienen una calificación de "poder combinado", que
indica la potencia máxima que estas dos salidas pueden reunir juntas, además de la potencia
máxima de cada salida (el poder combinado es menor que la suma de potencias de las líneas de
+3,3 V y +5 V).
En la figura 28 se tiene una visión general de la etapa secundaria de una fuente de alimentación de
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 21/24
gama baja. Aquí se puede ver el circuito integrado encargado de generar la señal de power good.
Por lo general, las fuentes de gama baja utilizan un LM339 o equivalente para esta tarea.
Encontraremos varios condensadores electrolíticos (mucho más pequeño que los que se
encuentran en el duplicador de voltaje o circuito PFC activo) y varias bobinas. Ellas están a cargo
de la etapa de filtrado (ver Figura 27).
Figura 28: Etapa secundaria de la fuente.
Para una mejor visión cortamos todos los cables y retiramos las dos grandes bobinas de filtrado.
En la Figura 29, se pueden ver los diodos más pequeños utilizados en la rectificación de las líneas
de -12 V y -5 V, que tienen valores de corriente (y por lo tanto de potencia) más pequeños (0,5 A
cada uno en esta fuente de alimentación específica). Las otras salidas de tensión tienen
necesidades de corriente muy por encima de 1 A, requiriendo diodos de potencia para llevar a cabo
la rectificación.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 22/24
Figura 29: Diodos de rectificación para las líneas de -12 V y -5V.
En la figura 30 tenemos un ejemplo de los componentes que están conectados al disipador de calor
que se encuentra en la etapa secundaria de una fuente de alimentación de gama baja.
Figura 30: Componentes que se encuentran en el disipador secundario de una fuente de
alimentación de gama baja.
De izquierda a derecha, se puede encontrar:
• Un circuito integrado regulador de tensión (a pesar de que cuenta con tres terminales y se ve
como un transistor, es un circuito integrado). En el caso de esta fuente era un 7805 (regulador de 5
V), a cargo de la regulación de la salida de +5 VSB. Como mencionamos antes, esta salida utilizaun circuito que es independiente de la línea +5 V estándar (ver la Figura 5 para un mejor
entendimiento), ya que seguirá entregando energía a la salida de +5 VSB, incluso cuando su PC
está "apagada" (modo de espera). Es por eso que esta salida también se denomina "energía en
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 23/24
espera". El 7805 puede entregar hasta 1 A.
• Un transistor MOSFET de potencia para la regulación de la salida de +3,3 V. En esta fuente el
utilizado fue un PHP45N03LT, que puede manejar hasta 45 A. Como mencionamos antes, sólo las
fuentes de alimentación de gama baja utilizan un regulador de voltaje para la salida de +3,3 V (que
se conecta a la línea +5 V).
• Un rectificador de potencia Schottky, que no es más que dos diodos pegados en el mismo
paquete. En este caso el utilizado era un STPR1620CT, que puede manejar hasta 8 A para cada
diodo (16 en total). Este rectificador se utiliza para la línea de +12 V.• Otro rectificador de potencia Schottky. En esta fuente el utilizado fue un E83-004, que puede
manejar hasta 60 A. Este rectificador de potencia específico se utiliza para las líneas de +5 V y
+3,3 V. Ya que estas líneas utilizan el mismo rectificador, su corriente agregada no puede ser mayor
que la corriente máxima del rectificador. Este concepto se denomina poder combinado. En otras
palabras, la línea de +3,3 V está generada a partir de la de +5 V; el transformador no tiene una
salida de +3,3 V, a diferencia de lo que ocurre con todas las otras tensiones proporcionadas por la
fuente de alimentación. Esta configuración sólo se utiliza en las fuentes de gama baja. En cambio
las de gama alta utilizan rectificadores separados para +3,3 V y +5 V.
Ahora echemos un vistazo a los principales componentes utilizados en la etapa secundaria de unafuente de alimentación de gama alta.
Figura 31: Componentes que se encuentran en el disipador secundario de una fuente de
alimentación de gama alta.
7/23/2019 Anatomía de Fuentes de Alimentación Conmutadas
http://slidepdf.com/reader/full/anatomia-de-fuentes-de-alimentacion-conmutadas 24/24
Figura 32: Componentes que se encuentran en el disipador secundario de una fuente de
alimentación de alta gama.
Aquí podemos encontrar:
• Dos rectificadores de potencia Schottky para la salida de +12 V conectados en paralelo, en lugar
de sólo uno como en las fuentes de alimentación de gama baja. Esta configuración duplica la
cantidad máxima de corriente (y por tanto la potencia) que la salida +12 V puede ofrecer. Esta
fuente de alimentación utiliza dos STPS6045CW, que pueden entregar hasta 60 A cada uno.
• Un rectificador de potencia Schottky para la salida de +5 V. En esta fuente se utilizó un
STPS60L30CW, que soporta hasta 60 A.
• Un rectificador de potencia Schottky para la salida de +3,3 V, siendo la principal diferencia entre
las fuentes de gama alta y de gama baja. En esta fuente el circuito utilizado fue un STPS30L30CT,
que soporta hasta 30 A.
• Un regulador de tensión del circuito de protección de la fuente. Este tipo de característica varía en
función del modelo de fuente.
Hay que tener en cuenta que las corrientes máximas que publicamos son sólo para los
componentes. La corriente máxima que la fuente de alimentación en realidad puede entregar
dependerá de los otros componentes que se unen a ellos, como las bobinas, el transformador, la
sección de los hilos utilizados e incluso la anchura de las pistas del circuito impreso.
A modo de ejercicio, se puede calcular la potencia máxima teórica para cada salida, multiplicando
la corriente máxima del rectificador por el voltaje de salida. Por ejemplo, para la fuente de
alimentación representada en la figura 30, su potencia teórica máxima para su salida de +12 V es
de 192 W (16 A x 12 V). Pero hay que tener cuenta lo que acabamos de decir en el párrafo
anterior.
