Fuentes de alimentación aisladas vs. no aisladas: cómo elegir correctamente sin miedo a equivocarse

Puede llegar un momento en tu carrera como diseñador de PCB en el que tus diseños se vean afectados por algún tipo de requisito normativo. Ya sea en el ámbito médico, automovilístico, militar o de cualquier otro tipo, tu diseño podría acabar sometido a un minucioso examen y a unas normas muy estrictas. A menudo, en ese tipo de situaciones, el aislamiento eléctrico (o la falta de este) pasa a ser de repente un asunto de gran relevancia.

¿Qué es el aislamiento eléctrico y qué es una fuente de alimentación aislada? El aislamiento eléctrico es exactamente lo que su nombre indica: aislar la fuente de alimentación del resto de los circuitos de un sistema. Se trata de una práctica habitual en los sistemas de alimentación, y por una buena razón. Por ejemplo, si la PCB de un equipo médico no tiene la fuente de alimentación aislada, existe un riesgo real de que se produzcan descargas o sobretensiones peligrosas a través de ella y en el interior del dispositivo, lo que podría causar daños al usuario (¡e incluso al paciente!).

Entender qué es una fuente de alimentación aislada y qué no lo es es fundamental para la seguridad tanto del diseñador como del usuario. En este caso, no estamos hablando solo de las unidades de alimentación de CA o CC que puedes encontrar en el laboratorio. Para muchos sistemas digitales y embebidos, la fuente de alimentación está incorporada en la placa de PCB y no aparece como un circuito integrado aparte. El aislamiento de la fuente de alimentación, incluso cuando se integra en la placa o en un sistema multiplaca, ayudará a proteger al usuario final y a otros equipos. Así que hagámonos todos un favor y tengamos en cuenta la diferencia entre una fuente de alimentación aislada y una no aislada antes de empezar a diseñar la placa de PCB.

¿Qué es una fuente de alimentación aislada?

Una fuente de alimentación aislada es, como su nombre indica, una fuente de alimentación eléctricamente aislada del resto del circuito al que alimenta, a menudo mediante un transformador de aislamiento. Eso significa que la alimentación y la tensión se transfieren de la entrada a la salida sin una conexión eléctrica directa entre las dos secciones. Estas fuentes de alimentación pueden admitir una gran tensión de entrada de la red de CA y convertirla a una tensión más baja. Las siguientes etapas del PFC y del regulador se pueden utilizar para limitar la corriente de salida a un valor estable, lo que garantiza que los componentes en sentido descendente estén protegidos de grandes subidas de tensión y de corriente en la entrada de alimentación.

Para una fuente de alimentación de CC o CA de calidad de laboratorio, el usuario tendrá que interactuar con la etapa de salida de la fuente de alimentación aislada. En otras palabras, es posible que tenga que enchufar o desenchufar cables, ajustar algunos parámetros en el panel frontal o manipular de alguna otra forma la fuente de alimentación. Al aislar la entrada de la salida, el usuario final tendrá un menor riesgo de descarga cuando manipule la fuente de alimentación. A continuación, se muestra una topología típica para convertir CA a CC con una fuente de alimentación aislada.

Topología simple para la etapa de salida de una fuente de alimentación aislada a través de un transformador de aislamiento

En la topología anterior, vemos un transformador en sentido descendente en la entrada (entre algún filtro EMI de entrada y el circuito rectificador) como parte de la conversión de CA-CC, pero a menudo se colocará después del rectificador y de las etapas PFC, sobre todo en un convertidor conmutado CC-CC aislado. Suele ocurrir que, en los convertidores conmutados CC-CC de alta corriente que requieren aislamiento, la estrategia de diseño de las fuentes de alimentación de CC-CC aisladas requiera accionar un conjunto de MOSFET de medio puente o puente completo con un flujo de impulsos suministrado por un circuito controlador de puerta. Esto es básicamente lo que ocurre en un convertidor LLC resonante. La salida pulsante de este circuito se reduce a una tensión más baja con un transformador y se suaviza con una batería de condensadores. Esto también ocurre en un convertidor inverso o de retroceso (flyback), que es un tipo común de convertidor conmutado de CC-CC aislado, aunque la topología puede ser diferente.

La topología anterior no te muestra algo muy importante de forma explícita: cómo se aplica realmente el aislamiento de la fuente de alimentación y la estrategia general de conexión a tierra. En una fuente de alimentación aislada, puede haber hasta tres regiones de tierra:

• La tierra principal (PGND): Esta es la región de tierra en el lado principal del transformador, es decir, el lado de entrada de la fuente de alimentación. Si estás conectado a una o tres fases de CA, también podrá haber una conexión a tierra (ver a continuación) en el lado de entrada como conexión a un circuito de filtro EMI de entrada. Esta región de tierra debe llegar hasta el lado principal del transformador y el borde de esta región de tierra define dónde se produce el aislamiento en el sistema.
• La tierra secundaria (SGND): Esta región de tierra se inicia en el lado secundario del transformador y proporciona la referencia de tierra para el resto del sistema. Esta región podría dejarse flotando en el sistema, aunque en sistemas de alta potencia esto puede crear un ruido significativo si la tierra secundaria oscila alrededor del nivel de referencia de la tierra de potencia, ya que el lado secundario actúa como un conductor flotante. Este efecto puede suprimirse en CA con un tapón de tipo Y a través de las dos regiones de GND.
• Tierra del chasis (PE o GND): Si aparece en un sistema de alimentación aislado, generalmente se trata de una conexión de seguridad a tierra. No debe conectarse al lado de salida de la fuente de alimentación aislada ni al retorno de la potencia en ningún equipo o placa posterior del sistema. El chasis no debe ser un conductor de corriente, salvo en caso de fallo.

Ten en cuenta que las designaciones "PGND" y "SGND" no son obligatorias; técnicamente, puedes nombrar tus redes como quieras. La forma en que estas regiones están conectadas para eliminar el ruido y garantizar la seguridad al tiempo que mantienen el aislamiento de CC dependerá de la aplicación. Aquí tienes algunos recursos que te ayudarán a iniciarte en estos sistemas:

• Cómo conectar las diferentes tierras en un diseño de PCB de fuente de alimentación aislada
• Técnicas de conexión a tierra de PCB para orificios de montaje de PCB chapados

Ejemplos de diseño con fuentes de alimentación aislada

Las siguientes imágenes muestran un ejemplo de diseño que incluye una fuente de alimentación aislada. En esta fuente, tenemos en realidad dos niveles de aislamiento aplicados entre la entrada y la salida:

• Inicialmente en la entrada de CA.
• Entre la etapa de conmutación de contrafase y la salida.

La etapa de entrada de CA no se muestra a continuación, ya que hay varios diseños de referencia que pueden manejar la tarea de conversión inicial de CA/CC. La salida de la etapa de rectificación de CA se introduce en un circuito PFC, que compensa la reducción de la eficiencia de conversión de energía del convertidor mediante una conmutación. La etapa de conmutación aislada se muestra a continuación.

Este es un convertidor de conmutación resonante LLC y es una variante de un diseño que ya he mostrado en otra ocasión. Hay un circuito controlador de puerta adicional que conmuta las etapas en los lados primario y secundario del convertidor resonante. Sabemos que este convertidor está aislado porque las tierras primaria y secundaria son redes diferentes, conectadas únicamente a un condensador de seguridad.

A continuación, se muestran otras topologías de fuentes de alimentación aisladas estándar. Se trata solo de las topologías; también se necesita un controlador de puerta para impulsar la conmutación. De igual modo, se utiliza un mecanismo de retroalimentación en fuentes de alimentación aisladas reales. El circuito de retroalimentación mide la salida y ajusta la señal PWM de conducción utilizada para mantener un voltaje objetivo.

Hay que tener en cuenta que los circuitos pueden integrarse total o parcialmente en un circuito integrado. Estos circuitos integrados proporcionan un alto aislamiento galvánico, pero requieren de retroalimentación integrada y circuitos de soporte necesarios para un bajo nivel de ruido. Son más comunes en sistemas de baja potencia que requieran poco ruido y alta eficiencia.

Los transformadores proporcionan aislamiento galvánico

Una fuente de alimentación aislada utiliza un transformador de aislamiento para proporcionar aislamiento galvánico entre las secciones de entrada y salida. Los transformadores simplemente transfieren potencia entre bobinas utilizando el campo magnético generado por una corriente alterna en cada bobina y el voltaje aumenta o disminuye dependiendo de la relación de vueltas del transformador. La ventaja del aislamiento de la fuente de alimentación con un transformador es que no hay conexión eléctrica directa entre las bobinas de entrada y de salida en el transformador; los conductores de cada lado no se tocan entre sí. La potencia se transfiere a través de las dos regiones de tierra del dispositivo mediante la inducción. Esto mantiene todo lo que queda en sentido descendente del transformador protegido de la alta tensión/corriente en el lado de la entrada o, en otras palabras, todo lo que está detrás queda "aislado".

Cuando se necesita un bucle de retroalimentación para supervisar y controlar la potencia de salida, normalmente se utiliza un optoaislador para vincular la salida a una etapa anterior del regulador. Este componente utiliza un diodo infrarrojo para garantizar el aislamiento entre las etapas alta potencia y baja potencia del regulador. Para las fuentes de alimentación que funcionan a tensión o corriente bajas, normalmente se puede conectar un optoaislador directamente a la salida, aunque hay algunos circuitos integrados optoaisladores que pueden recibir niveles de tensión o corriente mayores.

Un aspecto a considerar en una fuente de alimentación aislada es su eficiencia. Todos los transformadores tienen pérdidas, tanto en forma de calor disipado en el devanado como debido a la magnetización alterna en el núcleo. El material magnético utilizado en el núcleo (generalmente hierro o una aleación ferromagnética de hierro) se magnetiza de un lado a otro a medida que la corriente de CA de entrada oscila. Cuando el campo magnético creado por la entrada de CA es muy grande, puede causar que la magnetización en el núcleo se sature, lo que limitará la potencia de salida (disminuye la eficiencia) y crea mayores pérdidas en el núcleo. Este es uno de los factores que determinan los valores nominales de la tensión principal en los dos lados del transformador.

Este tipo de transformador se puede encontrar en una fuente de alimentación aislada de gran tamaño

Fuente de alimentación aislada vs. no aislada

Ahora que ya sabemos qué es lo que permite aislar una fuente de alimentación de la placa de PCB, resulta bastante evidente que, para tener una fuente de alimentación no aislada, basta con quitar el transformador del proceso de diseño. Diseñar una placa sin aislamiento de alimentación es algo bastante habitual; sin embargo, si trabajas a alta potencia o utilizas una fuente de conmutación rápida, deberás tener en cuenta al usuario final en el proceso de diseño, pues lo último que quieres es que tu mejor cliente reciba una descarga eléctrica de las que no se olvidan y te ponga una denuncia.

Existen muchas ventajas en este tipo de diseños sin aislamiento de la fuente de alimentación. Para empezar, dispondrás de más espacio en la placa en comparación con un diseño de fuente de alimentación aislada, ya que no necesitarás colocar un transformador en el encapsulado. Existen transformadores más pequeños para tensiones o corrientes más bajas, pero a medida que se aumenta el tamaño, se gana más espacio en la placa. Asimismo, una fuente de alimentación no aislada te proporcionará una mayor eficiencia.

Las fuentes de alimentación no aisladas siempre entrañan el riesgo de descargas eléctricas en su diseño

Vale la pena señalar que es una práctica habitual colocar un regulador de alimentación no aislado en el sentido descendente de una fuente de alimentación aislada o de un regulador de conmutación aislado. En esta estrategia, la fuente de alimentación aislada se coloca en la fuente de CA o CC de alta potencia, lo que reduce el voltaje a un nivel lo suficientemente seguro para un CI regulador de CC estándar o circuito regulador de voltaje. Puede que sea algo más complicado, pero tiene la ventaja de proporcionarte la protección adecuada para satisfacer tus requisitos de seguridad. Un buen ejemplo podría ser una fuente de alimentación independiente (aislada) de uso médico que alimente a unos cuantos dispositivos (no aislados) en sentido descendente.

¿Cuál es la opción más indicada: una fuente de alimentación aislada o sin aislar?

En resumen: por normal general, el circuito de regulación de potencia de la placa de PCB será simplemente una fuente de alimentación no aislada. Esta se construye a partir de pequeños circuitos reguladores o chips que no requieren aislamiento porque pueden no generar mucha corriente o no funcionar a muy alta tensión. Incluso si funcionan con alta corriente, es posible que el usuario no interactúe nunca con el sistema de forma que corra el riesgo de sufrir una descarga. Por lo tanto, las fuentes de alimentación no aisladas son más que suficientes para la mayoría de las placas de PCB más pequeñas. Normalmente, se tratará de un convertidor Buck seguido de un LDO para regular la potencia hasta el nivel requerido.

Cuando necesites una conversión de CA a CC de alta potencia (o de CC a CC de alta potencia), por lo general, utilizarás una fuente de alimentación aislada y, en muchas ocasiones, la fuente de alimentación estará diseñada con su propia placa. Lo que ocurra a continuación dependerá de las características concretas de la fuente de alimentación (CA frente a CC, red eléctrica frente a batería, etc.), de cómo se vaya a utilizar la carcasa y de cómo esté definida la conexión a tierra en los circuitos o sistemas conectados a la fuente de alimentación.

Como ya hemos dicho, en lo que respecta a los sectores más regulados, suelen ser necesarias las fuentes de alimentación aisladas y deben cumplir una serie de normas. Entre ellas:

• Norma de seguridad IEC 60601-1 para dispositivos médicos.
• IEC 62368-1 para equipos de TI y AV (en sustitución de la IEC 60950-1 y la IEC 60065).
• IEC 61204-7:2016 para fuentes de alimentación conmutadas en general.

Algunas normativas no especifican determinadas normas industriales (por ejemplo, la normativa de la FDA estadounidense sobre dispositivos cardiovasculares en 21CFR870.3605), pero sí exigen pruebas de seguridad y EMC para garantizar que los dispositivos sean totalmente compatibles con otros estándares electrónicos y de seguridad básicos en su entorno previsto.

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