Diseño y Disposición de Circuitos PFC para Sistemas de Potencia

Aunque nos gustaría, la entrada de energía en un PCB no siempre es una señal de CC limpia o sinusoidal. La CC proveniente de un rectificador tendrá cierto rizado del condensador de salida, y las señales de CA pueden contener ruido o ser ondas senoidales menos que perfectas. Hay algunas maneras de corregir estos problemas, ya sea eligiendo el circuito de filtración adecuado o dando forma a la onda de entrada para producir la máxima salida de energía a una carga en el sistema.

Si estás trabajando con un sistema de energía de CA, probablemente necesitarás corrección del factor de potencia (PFC) para reducir tu consumo de corriente/energía en la fuente de alimentación, o para aumentar la energía disponible para la carga. Aunque los circuitos de PFC están disponibles como ICs, no pueden manejar las demandas de sistemas de mayor voltaje/corriente. Necesitarás tu propio diseño y disposición de circuito de PFC en el PCB para aumentar tu factor de potencia cerca de 1. Aquí te mostramos cómo puedes diseñar y simular tu propio circuito de PFC, y te daremos algunos consejos de disposición para tu circuito de PFC.

¿Qué es la Corrección del Factor de Potencia?

El factor de potencia de una fuente de alimentación es la relación entre la potencia real consumida y la potencia aparente (en voltios y amperios RMS), y este número varía de 0 a 1. Un regulador conmutador típico en un circuito de fuente de alimentación conectado a una fuente de CA con un rectificador, extraerá corriente en pequeñas ráfagas una vez que el voltaje de entrada se acerque a su pico. Cuanto más se desvíe la corriente extraída de la línea de entrada de la forma de onda de voltaje sinusoidal, menor será el factor de potencia. El factor de potencia es básicamente otra métrica para la eficiencia energética.

Como ejemplo, supongamos que un regulador es 96% eficiente; si la fuente de alimentación total tiene un factor de potencia del 60%, entonces la eficiencia real es del 96% x 60% = 57.6%. El objetivo de usar un diseño de circuito de corrección del factor de potencia (PFC) es acercar el factor de potencia lo más posible a 1. Cuando el factor de potencia está más cerca de 1, la potencia real consumida se acercará más a la potencia aparente que calcularías usando el voltaje y corriente de entrada RMS ideales.

Si planeas vender tu nuevo producto en Europa, necesitarás asegurarte de aplicar PFC en tu fuente de alimentación. La regulación más importante es EN61000-3-2, que se aplica a sistemas de alimentación con al menos 75 W de potencia de entrada y que consumen hasta 16 A en la entrada de servicio. Esta regulación también establece límites en la distorsión armónica total (THD) hasta la 39ª armónica medida en la entrada de un regulador. Esto ilustra el otro beneficio de un circuito PFC; una fuente de alimentación con un factor de potencia mayor tendrá un THD cercano a cero en la entrada del regulador DC.

Diseño y Topología del Circuito PFC

Un convertidor PFC puede implementarse con topología boost o buck. También existe una topología buck-boost, aunque esta no es tan popular ya que normalmente se necesita aumentar o disminuir el voltaje de entrada y regularlo a un nivel constante. Las dos versiones buck y boost se muestran a continuación. Si estos diagramas de circuito coinciden con lo que esperarías de un convertidor DC-DC buck o boost estándar, ¡entonces estás en lo correcto! Los diagramas de circuito generales son idénticos, pero la selección de componentes para estos circuitos influye en el aumento del factor de potencia proporcionado por el circuito.

¿Qué hace que un circuito PFC sea diferente de un regulador conmutado típico? El punto crítico en el diseño de un circuito PFC es elegir el modo de funcionamiento adecuado, lo que implica seleccionar el inductor correcto en este circuito. El inductor determinará qué tan rápido aumenta la corriente a través del inductor a medida que aumenta el voltaje de entrada mientras el MOSFET está activado. Una vez que el MOSFET se apaga, el inductor proporciona una FEM inversa, que luego dirige más corriente hacia la carga.

La forma de onda de rizado del inductor está determinada por el tamaño del inductor, al igual que en un regulador conmutado típico. La onda de rizado será mayor cuando el inductor es más pequeño. El control sobre la forma de onda se mantiene aplicando un pulso PWM o PFM al MOSFET. Los tres modos de circuito PFC mostrados a continuación se determinan por el tamaño del inductor y el tipo de modulación aplicada al MOSFET. La tabla a continuación resume la modulación y las características de corriente en cada modo.

Para proporcionar adecuadamente PWM o PFM al MOSFET de conmutación, necesitas implementar un bucle de retroalimentación a un controlador PWM/PFM. Hay algunos CI especializados que pueden ser utilizados para este propósito, incluso a altos voltajes.

Disposición de PFC: Trátalo Como un Regulador de Conmutación de Alta Potencia

Quizás el punto más importante a recordar al trabajar con cualquier convertidor conmutado es considerar el aislamiento del ruido de conmutación. Cualquier ruido proveniente de un regulador de conmutación ruidoso o un circuito PFC, especialmente a alta corriente, generará campos magnéticos fuertes que pueden inducir una señal de ruido en un circuito aguas abajo. Note que el aislamiento galvánico elimina el EMI conducido, pero no el EMI radiado, por lo que necesitará prevenir cualquier ruido inducido con una estructura de aislamiento para circuitos de bajo nivel, como una cerca de vías o blindaje. Esto ha sido desde hace mucho tiempo un problema bien conocido en el diseño de fuentes de alimentación, tanto para suministros de alta tensión como para reguladores IC en electrónica de baja potencia.

Otros puntos a considerar son el diseño de la señal PWM o señal PFM, su diseño de apilamiento y otras técnicas para reducir el EMI radiado. Cuando trabaje con altos voltajes, también necesitará asegurarse de establecer el espaciado apropiado entre elementos conductivos en su diseño de PCB para prevenir ESD. Estas separaciones están definidas en las normas IPC-2221. Eche un vistazo a estos artículos para aprender más:

• Diseño de Circuito SMPS: ¿Qué Frecuencia de Conmutación Usar?
• Técnicas para Suprimir la EMI en Convertidores DC-DC en Productos IoT
• Capacitancia Interplano y Configuraciones de PCB
• Usando un Calculador IPC-2221 para Diseño de Alto Voltaje

Cuando estés listo para crear tu diseño de circuito PFC y su disposición en un PCB, puedes utilizar las características de diseño esquemático y disposición de PCB en Altium Designer. Tendrás todo lo que necesitas para disponer rápidamente tu circuito PFC y reguladores para su uso en diseños de alto voltaje. También puedes acceder a la herramienta PDN Analyzer, que te permite examinar la distribución de voltaje a lo largo de tu red de entrega de energía.

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