Sigue aumentando con rapidez la demanda de soluciones de interconexión para la alimentación de alta potencia en espacios cada vez más reducidos. Teniendo en cuenta que se necesita cada vez más potencia en encapsulados cada vez más pequeños, la solución de la ecuación de potencia en nuevas arquitecturas y plataformas de sistemas puede suponer retos de diseño eléctrico y mecánico para los ingenieros de fuentes de alimentación y de sistemas OEM, que deben especificar componentes de interconexión que garanticen la integridad de la señal y de la alimentación.  

A diferencia de los conectores de señal, cuyo tamaño sigue reduciéndose a pesar de ofrecer velocidades de transmisión más altas, los conectores de alimentación requieren cierta cantidad de material conductor para poder transportar una cantidad determinada de corrientes o de amperios. No hay ningún secreto especial de diseño que permita contactos de potencia más pequeños para transportar mayores cantidades de corrientes. Es cierto que se logran progresos a la hora de perfeccionar las interfaces de bajas interferencias, pero el espacio que se necesita para interconexiones de mayor amperaje aumenta a medida que crece la necesidad de alimentación.

 

En este artículo, examinaremos los factores claves que los ingenieros de diseño tienen que evaluar en las etapas iniciales del proceso de diseño. Además, plantearemos la cuestión de cómo las innovaciones de conectores y unos principios de ingeniería claros para la integridad de la alimentación no solo pueden impulsar diseños más inteligentes, sino que también ayudan a garantizar que las soluciones de interconexión especificadas presentarán un rendimiento eléctrico óptimo así como niveles superiores de seguridad y fiabilidad a largo plazo.

Aunque los nuevos diseños de sistemas a menudo requieran que la corriente de alimentación pase por un espacio limitado, varios factores siguen afectando a la densidad de un diseño y su capacidad efectiva de manejar la potencia. Una comprensión clara de todos y cada uno de estos elementos es fundamental para diseñar con éxito sistemas con una alimentación eléctrica íntegra y segura, lo que contribuirá a optimizar todo el proceso de diseño. Estos factores claves son:

Equilibrio entre espacio y alimentación
En primer lugar, es necesario determinar cuánto espacio se necesita para una interconexión de alimentación en comparación con el espacio disponible que se ha asignado en el diseño del producto acabado. Aunque el ahorro de espacio es una alta prioridad para la mayoría de fabricantes de equipos originales (OEM), la altura, el ancho y la longitud del conector, y especialmente su contenido de cobre, repercutirán directamente en la densidad de corriente alcanzable. Los arquitectos de sistemas siempre quieren meter más potencia en el mismo espacio, lo que supone un reto para los fabricantes de conectores.

No obstante, los fabricantes de conectores líderes mundiales continúan desarrollando nuevos e innovadores diseños que utilizan materiales de conductividad más alta y hacen un uso más creativo del espacio disponible para mejorar el suministro de energía y el rendimiento eléctrico, de modo que no se requiere más espacio. Por ejemplo, en algunos casos, sería preferible un conector de perfil más bajo para maximizar el flujo de aire de refrigeración. En otros casos, un conector más grande que ofrezca un contacto más estable sería la solución adecuada para manejar eficazmente la cantidad de corriente generada en el espacio reducido del borde de una tarjeta. Lo importante es encontrar el equilibrio óptimo entre la potencia, y sus efectos térmicos resultantes en la placa de circuito impreso, y los requisitos de diseño en cuanto al espacio para asegurar la seguridad y el rendimiento del producto final.

Gestión térmica
Los problemas térmicos originados por la resistencia de contacto o de constricción y un flujo de aire insuficiente siempre son motivo de preocupación y merecen una atenta consideración desde el principio. El contenido de cobre del circuito impreso es uno de estos elementos. Demasiado poco cobre puede restringir el flujo de la corriente y causar resistencia de constricción. Un tamaño apropiado de las trazas de cobre disminuye la resistencia masiva, lo que permite temperaturas más bajas y menos pérdidas. De lo contrario, ese calor puede disiparse hacia la interfaz del conector y comprometer su fiabilidad. Los fabricantes de fuentes de alimentación son muy creativos incorporando a la estructura del circuito impreso funciones adicionales que palian los problemas térmicos y de constricción.

Dada la tendencia de alojar los sistemas en encapsulados más pequeños con más componentes, es esencial asegurar una buena gestión del flujo de aire alrededor de los conectores que están posicionados en el punto de intersección (por ejemplo entre una fuente de alimentación y el servidor) y pueden bloquear el libre flujo de aire. Un abundante flujo de aire alrededor y a través del conector ayuda a refrigerar el contacto de la alimentación, lo que permite incrementar la cantidad de corriente y/o aporta un mayor margen de seguridad. Los conectores también se sitúan a veces en puntos claves donde bloquean el flujo de aire. La refrigeración de conectores no está en la cabeza de la lista de prioridades de los diseñadores a la hora de considerar el flujo de aire.

Teniendo en cuenta la seguridad de funcionamiento, el diseñador debe considerar el sistema en su totalidad –de un extremo a otro–, incluida su arquitectura de alimentación, para comprender qué posibilidades puede haber para áreas de constricción y caídas de tensión que puedan tener un impacto negativo sobre el rendimiento térmico y eléctrico. Normalmente, una caída máxima de 30 mV define el umbral de la estabilidad térmica para un contacto de alimentación. Una vez superado este umbral, aumenta significativamente la inestabilidad térmica.

Prestigiosas empresas especializadas en diseños innovadores de conectores trabajan con sus clientes para desarrollar mejores soluciones de interconexión para la alimentación a fin de garantizar un funcionamiento seguro y un rendimiento fiable en espacios más pequeños a temperaturas más altas a lo largo de todo el ciclo de vida útil del producto. Los nuevos diseños incorporan nuevas aleaciones, resinas moldeadas, metalización y tecnología de contacto mejorada, todo ello para aumentar la densidad de corriente sin sacrificar la seguridad ni la fiabilidad.

Mitigación de riesgos
Los fabricantes de conectores suelen tener los valores nominales del rendimiento eléctrico de sus productos basados en pruebas en condiciones óptimas. Estos valores publicados, aunque son precisos en lo que miden, no cuentan toda la verdad porque no tienen en cuenta las variadas condiciones e interacciones que afectarán al entorno en el que el conector realmente actuará.

Como consecuencia de ello, una práctica común entre los OEM ha sido restar algo de la capacidad de los conectores para obtener un margen de seguridad térmica en relación con los valores nominales del producto publicados en la documentación de los fabricantes de conectores. Muchos usan un método simple: empezar las pruebas con un número reducido de circuitos y aumentar gradualmente la cantidad y registrar la subida de temperatura en relación con la corriente; así se demuestra que la capacidad de transportar corriente baja a medida que aumenta la cantidad de circuitos. Algunos clientes aplican arbitrariamente cierto porcentaje: tomemos como ejemplo un producto con una potencia nominal de 100 amperios según el proveedor de conectores; en este caso, el usuario restaría automáticamente el 30% para asegurar un margen de seguridad incorporada que proteja contra un posible sobrecalentamiento.

Los actuales proveedores de conectores líderes lo saben y trabajarán en estrecha cooperación con los OEM y sus equipos de diseño para adaptar su gama de conectores a la aplicación específica, basándose en pruebas científicas y análisis de rendimiento en condiciones de uso reales.  

Para ofrecer valores precisos, los fabricantes líderes llevan a cabo pruebas a gran escala y crean modelos predictivos, tales como el análisis de elementos finitos (FEA) con calentamiento Joule y software de dinámica computacional de fluidos (CFD) con entradas relativos al conector, geometría del PCB, propiedades de material, corriente, resistencias de contacto (datos reales de la prueba) y flujo de aire. De este modo, pueden estimar el rendimiento de cada uno de sus productos de interconexión y asesorar de forma fiable a sus clientes sobre qué productos se ajustarían mejor a los requisitos de su aplicación. No es práctico simular y/o probar todos los entornos posibles, pero estos modelos y análisis sirven a los diseñadores de guía para adoptar decisiones más inteligentes con mayor rapidez. Este es un criterio importante teniendo en cuenta los rápidos ciclos de diseño requeridos en la industria electrónica.

Mejores resultados gracias a la planificación de la integración de la alimentación
En el actual mercado tecnológico que se caracteriza por una alta competitividad y el empuje por tendencias –en el que el formato compacto, la velocidad de transmisión y la integridad de la señal y de la alimentación son primordiales–, es simplemente imposible sobrestimar las ventajas de una ingeniería de integridad proactiva de la alimentación. La creciente demanda de potencia de ordenadores aumenta la demanda de una mayor potencia bruta. Mientras tanto, los ciclos de diseño de los productos se acortan cada vez más, por lo que los ingenieros de alimentación disponen de menos tiempo para tomar decisiones importantes.

Como hemos visto, conocer claramente todos los requisitos en la fase inicial del diseño, antes de especificar los componentes de interconexión, puede ayudar a tomar las decisiones correctas y evitar costosos errores. Y lo que es más importante, una ingeniería de alta calidad para la integridad de la alimentación capacita a los OEM y a sus diseñadores de productos para maximizar el rendimiento, la fiabilidad y la seguridad de sus productos, lo que contribuye a aumentar las ventas y la satisfacción del cliente.

Autor:

Ken Stead, gerente y responsable del desarrollo de nuevos productos de alimentación para el mercado mundial de Molex.

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