Mundo Electronico - 414 by Versys Ediciones Técnicas, S.L.

Dossier. Semiconductores de potencia

mundo Nº 414 • DICIEMBRE 09

ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Circuitos para gestión de alimentación: consideraciones térmicas Fuentes conmutadas aisladas y de muy bajo consumo en vacío OPTRÓNICA. Al rescate de la ley de Moore / Características de un medidor de longitud de onda OPINIÓN. Uso de SVHC en componentes y conectores pasivos

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Premio Excelencia a la Comunicación 2006 Col.legi d’EnginyersTècnics deTelecomunicacions (COETTC)

EDITORIAL

mundo

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Sin inversión no hay desarrollo

EDITOR ÁREA ELECTRÓNICA: Eugenio Rey [rey@cetisa.com] DIRECTOR: Sergio Lorenzi [lorenzi@cetisa.com] COLABORADORES: Juan José Salgado y Nuria Calle MAQUETACIÓN: Rafael Cardona [cardona@cetisa.com] PUBLICIDAD Enric Carbó [ecarbo@cetisa.com] Miquel Cabo [mcabo@cetisa.com] Publicidad Internacional Sergio Lorenzi [lorenzi@cetisa.com] Módulos Susana Al Bitar [susana.albitar@tecnipublicaciones.com] Coordinadora Publicidad Isabel Palomar [ipalomar@cicinformacion.com] SUSCRIPCIONES Ingrid Torné e Elisabeth Díez [suscripciones@tecnipublicaciones.com] CONSEJO ASESOR JOSÉ LUIS ADANERO, JOSÉ CABALLERO ARTIGAS, ANDRÉS CAMPOS, ERNESTO CRUSELLES, EDMUNDO FERNÁNDEZ, PERE FITER, JESÚS GARCÍA TOMÁS, FRANCISCO J. HERRERA GÁLVEZ, GABRIEL JUNYENT, EMILIO LERA, FRANCISCO J.LÓPEZ HERRERO, MANUEL LÓPEZ-AMO SAINZ, JOSE MIGUEL LÓPEZ-HIGUERA, EDELMIRO LÓPEZ PÉREZ, CARLES MARTÍN BADELL, SALVADOR MARTÍNEZ, JOSÉ A. MARTÍN-PEREDA, MIGUEL DE OYARZÁBAL, RAMÓN PALLÀS, JUAN JOSÉ PERÉZ, RAFAEL PINDADO, JAVIER DE PRADA, VALENTÍN RODRÍGUEZ, SERGIO RUIZ-MORENO, JOSÉ M.SÁNCHEZ PENA, FRANCISCO SERRA, JOSÉ LUIS TEJERINA, PEDRO VICENTE DEL FRAILE, CARLOS VIVAS, JOSEBA ZUBIA. Edita:

Director General: Antonio Piqué Morató Directora Delegación de Cataluña: María Cruz Álvarez Editora Jefe: Patricia Rial OFICINAS: Administración: Avda Manoteras, 44 - 28050 MADRID Tel 91 297 20 00 - Fax 91 297 21 52 Redacción: Enric Granados, 7 - 08007 BARCELONA Tel 93 243 10 40 - Fax 93 349 23 50 CORRESPONSALES Valencia: J. ESPÍ, [José.Espi@un.es] Dpto. Ingeniería Electrónica. - Escuela Técnica Superior de Ingenieria. - Universitat de Valencia, Campus de Burjassot. C/ Dr. Moliner, 50. - 46100 Burjassot Argentina: ERNESTO FEDERICO TREO [etreo@herrera.unt.edu.ar] NATALIA M. LÓPEZ CELANI [nlopez@gateme.unsj.edu.ar]

a importancia de la inversión en I+D+i no es ningún tópico. El mundo no avanza sin nuevos desarrollos y éstos no son viables sin destinar recursos económicos a su investigación. Los semiconductores de potencia son un magnífico ejemplo. Aunque su historia comienza unos años antes, su despegue se fecha en la década de los 70 del siglo pasado. Su continuo avance dio respuesta a la necesidad de dar soluciones a los nuevos retos y oportunidades que se abrían en distintos frentes: industrial, militar, transporte, etc. Como consecuencia lógica la disposición de medios humanos y de capital fue esencial para lograr el nivel de perfeccionamiento y utilización que se registra en la actualidad. Aunque los sectores tradicionales de uso de los semiconductores de potencia como los variadores de velocidad para accionamientos eléctricos, las fuentes de alimentación o el control de proceso industrial siguen manteniendo su relevancia, las perspectivas más prometedoras para este campo parecen encontrarse en el mundo de las energías renovables y la búsqueda de una mayor eficiencia energética. Si bien todas requieren de esta tecnología, las que registran un mayor incremento de la demanda son la eólica y la solar. Por el momento las energías renovables y en particular la eólica sólo representan un 5% del total del mercado, pero es el sector que más crece con un aumento anual del 25%. Con los datos actuales otro de los campos que dará más frutos es el de las aplicaciones de automoción. Aunque representa tan sólo un 4% del mercado, está creciendo a un ritmo anual cercano al 20%. Según los expertos, los coches eléctricos están a la ‘vuelta de la esquina’ y este despertar puede significar una de las grandes cuentas de negocio que conviene atender con esmero. Contar con novedades de productos garantiza el liderazgo de las empresas que los abanderan. Hasta hace no muchos años las grandes compañías eran prácticamente los únicos referentes del mercado español. Ahora cada vez hay más diversificación y han debutado varias ‘start-ups’ y corporaciones de tamaño medio auspiciadas principalmente por el liderazgo de España en las energías renovables. La colaboración entre industria, universidad y centros de investigación se sitúa en el centro del futuro del sector. Se ha avanzado mucho en este sentido, pero es necesario profundizar más y que la cooperación sea más fluida. El porvenir del mercado de los semiconductores de potencia está ligado a su capacidad de innovación y ésta, cuanto más respaldada se encuentre desde los diferentes agentes, más versátil y pujante será.

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Mundo Electrónico | DIC 09

sumario

La portada FADISEL

Nº 414 / DICIEMBRE 09

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03 Editorial

Sin inversión no hay desarrollo

06 Actualidad

Mercado. Diez tecnologías en las que invertir - Arrow renueva su estructura directiva en España - Acal crece al comprar BFi Optilas Tecnología. National Semiconductor anuncia un avanzado receptor de FI Procesador de 6 núcleos de Texas Instruments - SLLM aumenta la eﬁciencia en los reguladores POL de Rohm

14 Opinión 28

Uso de SVHC (sustancias altamente preocupantes) en componentes y conectores pasivos por Gary Nevison

16 Dossier: Semiconductores de Potencia Dispositivos clave para aumentar la eﬁciencia energética por Nuria Calle

20 Tendencias 36

Electrónica de Potencia. ■ Circuitos para gestión de alimentación: consideraciones térmicas por Travis Eichhorn Electrónica de Potencia. ■ Fuentes de alimentación conmutadas aisladas y de muy bajo consumo en vacío (y II) por J.M. de Diego, J.I. Gárate y J. Monsalve

Telecomunicaciones. ■ Opciones inalámbricas para aplicaciones industriales por Alistair Winning

40 Optrónica

■ Al rescate de la Ley de Moore ■ Características de un medidor de longitud de onda

44 Productos y servicios

La solución: Tektronix actualiza su serie DPO7000

48 Agenda

Las tecnologías como clave para el respeto del medio ambiente

50 Índices y avance

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actualidad 6

MERCADO

El 85% de las tecnologías desarrolladas jamás ven la luz

Diez tecnologías en las que invertir E. Rey

■ Tras constatar que sólo el 15% de las tecnologías desarrolladas en todo el mundo llegan a su etapa comercial, y con el objetivo de ayudar en la toma de decisiones a la hora de invertir, la consultora Frost & Sullivan acaba de compilar una lista de las diez primeras tecnologías que considera lo suficientemente asentadas para influenciar a los diversos sectores y de esta forma ofrecer indicaciones con fundamento a la hora de obtener mayores retornos a la inversión. Bajo el título “Global Top 10 Hot Technologies to Invest” y presentado por Beatrice Shepherd, Director para CEE, Rusia y CIS de dicha consultora, las tecnologías a considerar son: nanomateriales, electrónica flexible, baterías avanzadas y sistemas de almacenamiento de energía, materiales inteligentes, tecnologías de la información “verdes”, tecnología solar basada en CISS, integración microelectrónica tridimensional, sistemas autónomos, la biotecnología blanca y los láseres. INVESTIGACIÓN MADURA Según el documento, los nanomateriales, incluidos los nanotubos y nanopartículas en matrices poliméricas, han gozado de muchos años de investigación y desarrollo en todo el mundo, razón por la cual se espera un floreciente mercado a lo largo de la próxima década. De forma similar, la electrónica flexible, en forma de plásticos inteligentes, se utilizará en cápsulas ultradelgadas y en baterías flexibles impresas tendrán aplicación en múltiples sectores que abarcan desde los dispositivos médicos, a los de electrónica de consumo, pasando por el envasado de alimentos y la industria militar. La electrónica flexible, según Frost & Sullivan, está llamada a experimentar un crecimiento acumulativo medio anual del 19% entre 2009 y 2014, con un desglose geográfico aproximado del 32% para Europa, del 29% para Norteamérica, Asia-Pacífico tendría un 36% y el resto del mundo el 4% restante. Las pilas de película delgada, las baterías avanzadas y los mercados de almacenamiento de energía continuarán beneficiándose del I+D, continúa el documento, razón por la cual se anticipa su aplicación en aplicaciones militares, especialmente en la DIC 09 | Mundo Electrónico

modernización del equipamiento de tropa, el almacenamiento energético creado por el ejercicio humano, en tanto que en el ámbito de los productos de consumo se señalan los equipos portátiles, los vehículos eléctricos y los vehículos de vuelo no tripulados. Las cifras relativas al mercado total señalan para 2010 un volumen de 79,60 M$ en microcélulas de fuel, del que el 23,9% estará destinado a teléfonos móviles, el 29,5% para los PC de pequeño formato, el 14,8% para las PDA, el 5,3% para los equipos de audio/vídeo portátiles, el 4,3% para los equipos para tratamiento de imágenes y el 1,9% a otros. Por lo que respecta a los denominados materiales “inteligentes”, entre los que se incluyen los materiales autonómicos, los plásticos que se autorreparan y los polímeros inteligentes para aplicaciones biomédicas, que pueden detectar cambios en el entorno que los rodea, son considerados en el documento como de enorme potencial, aunque elude dar cifras. Otro tanto sucede con los materiales piezoeléctricos, considerados útiles en la producción y detección de sonido, la generación de altas tensiones y de frecuencia y los sistemas de enfoque ultraﬁno de subconjuntos ópticos, los autores consideran serán las áreas de un crecimiento más rápido y que coparán una mayor parcela de mercado. Las consideradas tecnologías de TI verde se incluyen en el ránking habida cuenta el fuerte crecimiento de los centros de datos que sean eﬁcientes

desde el punto de vista energético, aspecto en el que los autores atribuyen el 18% del consumo mundial a los sistemas que conforman el megasector de las Tecnologías de la Información. La tecnología CIGC, acrónimo inglés que denota seleniuro de galio, cobre e indio se considera un eslabón de primer orden para favorecer la penetración de la energía solar habida cuenta sus ventajas de bajo coste de fabricación y elevados rendimientos productivos, razón por la cual los autores esperan una reducción de los costes de los módulos hasta el 45% en los próximos años, lo que permite albergar esperanzas que esto conduzca a instalaciones masivas y oportunidades de crecimiento a las empresas implicadas. Los mercados considerados claves son EE.UU., Francia, Portugal, España, Italia, Grecia, Alemania, China, Corea del Sur y Japón. SISTEMAS AUTÓNOMOS F&S contempla a los sistemas autónomos como la tecnología próxima de mayor importancia, los cuales, si bien comienzan a gozar de cierto predicamento en aplicaciones y proyectos militares, en el ámbito civil se registra un ritmo similar especialmente en los ámbitos de la seguridad. Los programas de desarrollo de sistemas autónomos en todo el mundo que se están llevando a cabo suman un importe de 11.000 M$. La biotecnología blanca implica la utilización de microorganismos y catalizadores biológicos como los enzimas en la producción de productos bioquímicos, materiales y combustibles, un ámbito al que Frost & Sullivan asigna un mercado total de 72.000 M$ en 2014. Por lo que respecta a los dispositivos fotónicos, y de ellos los láseres de estado sólido, de ﬁbra, de Ti:zaﬁro, de diodo de CO2 y de HeNe, tienen asignado un crecimiento anual compuesto del 8,2% entre 2008 y 2014, fecha en la que se espera alcance un máximo de 9.100 M$. Por la naturaleza de estos láseres, su campo de aplicación está localizado en múltiples sectores que abarcan desde la industria metalúrgica en sistemas de corte y soldadura, hasta las médicas, pasando por las militares y la fabricación de semiconductores.

Dentro de una profunda reorganización a escala europe

Arrow renueva su estructura directiva en España ■ La nueva estructura de Arrow Electronics en Europa ha conllevado el nombramiento de Jordi Tarrida como Business Leader para la región de Francia, España, Portugal y Norte de África. Desde su nuevo puesto, Tarrida asume la responsabilidad total para el desarrollo de la compañía y la puesta en práctica de la estrategia europea de ventas de Arrow en esta región. Tarrida ocupará el puesto de mayor responsabilidad para el mercado español tras la salida de la empresa de Manuel García, que ocupaba la dirección general en nuestro país. Jordi Tarrida ha trabajado en EBV Elektronik de 1993 a 2009, donde llegó a la vicepresidencia para el Sur de Europa en 2006. Asimismo Arrow Iberia Electrónica ha nombrado General Sales Manager a Germán Cuello, quien asume la res-

ponsabilidad de las ventas en España y Portugal. Cuello procede de Avnet Memec, donde desempeñaba la función de Country Director.

Acal crece al comprar BFi Optilas ■ El distribuidor de componentes y sistemas Acal ha anunciado la adquisición de todo el capital de BFi Optilas France por 10 M€ en efectivo y 2 M€ adicionales en acciones. La adquisición de BFi Optilas habría de permitir a Acal mejorar sus cifras de negocio en su próximo año ﬁscal y crear una empresa de mayor valor añadido para sus accionistas. Además, esta adquisición permite a Acal dotarle de una mayor dimensión

que le permite competir en toda Europa. BFi Optilas tuvo unas ventas de 105 M€ en los doce meses ﬁnalizados en junio pasado, con un beneﬁcio operativo de 48.000 euros. La empresa tiene cinco unidades de negocio: componentes, comunicaciones, fotónica, productos de imagen y una quinta que engloban a materiales, instrumentos analíticos y seguridad, entre otros segmentos.

El mercado chino espera un buen año 2010 ■ Según un informe realizado por la consultora iSuppli, el mercado chino de semiconductores experimentará un rebote importante después de un año 2009 de transición debido a la crisis económica global. Durante este año la previsión es que el mercado chino se quede en 68.000 M$, casi un 7% por debajo de 2008, lo cual supone un importante cambio para un mercado que llevaba 10 años experimentando crecimientos de dos dígitos. Las previsiones para el año 2010 muestran un crecimiento que podría permitirle situar el mercado por

encima de los 80.000 M$, es decir, una progresión de casi un 18% con respecto a 2009. EL AUTOMÓVIL SIGUE AL ALZA Curiosamente, pese a la gran crisis del sector de automoción, el sector de semiconductores para automoción chino es el único segmento que ha mostrado una evolución positiva para alcanzar los 2.000 M$. Los avances en 2010 serán del 16% para la electrónica de consumo y del 24% para las comunicaciones inalámbricas.

La previsión apunta un crecimiento anual medio del 10% en los próximos cinco años para el mercado mundial de CI ■ Tras unas previsiones de un decremento superior al 14% para el presente año, el mercado mundial para los CI de gestión de consumo y de gobierno se espera registre un fuerte crecimiento en 2010 para situarse en una media del 10% a lo largo del próximo quinquenio según un estudio de mercado realizado por la consultora IMS Research. Los mercados de mayor crecimiento entre los quince analizados en el estudio “The World Market for Power Management & Driver ICs200)” son los circuitos para aplicaciones de potencia sobre Internet (PoE), las etapas de potencia integradas, y los circuitos integrados de corrección del factor de potencia. Las razones de este crecimiento se atribuyen a la demanda de equipos más eﬁcientes desde el punto de vista de ahorro energético, un hecho que con frecuencia y cada vez más frecuente, requiere circuitos más complejos, y por tanto más caros, especialmente para su uso en equipos portátiles alimentados por pilas. El estudio señala además que diez fabricantes acaparan más de la mitad del mercado y entre ellos el líder es Texas Instruments.

Mercado MEMS al alza en los próximos ejercicios ■ Yole Développement ha publicado la sexta edición de su informe sobre el sector de los MEMS, que estima un crecimiento del 25% para la fabricación de estos dispositivos en los próximos cuatro años. El mercado MEMS ha permanecido más o menos plano desde el año 2007, con una cifra de negocios de 7.100 M$ en dicho año, que bajó hasta los 6.800 M$ al año siguiente y, acabará en 6.900 M$ durante este año según las últimas estimaciones. Según el citado informe, a lo largo del próximo ejercicio se podrá comprobar claramente el cambio de tendencia que permitirá alcanzar crecimientos de hasta el 12% en los próximos cuatro años. Mundo Electrónico | DIC 09

actualidad

Tecnología

Compatible con varias redes inalámbricas

National Semiconductor anuncia un avanzado receptor de frecuencia intermedia

Microchip integra CAN y USB en sus nuevos micros ■ Las familias PIC32MX5/6/7 de Microchip Technology con CAN y USB se dirigen a aplicaciones que ejecutan varias pilas de software de forma simultánea y complementaria con las pilas de software gratuitas de Microchip, facilitando así a los diseñadores de sistemas embebidos la incorporación de conectividad a sus aplicaciones. Las nuevas familias se unen a los PIC32 con hasta 128 KB de RAM y amplias opciones de conectividad, incluyendo Ethernet de 10/100 Mbps, dos controladores CAN2.0b, USB Host y Dispositivo y OTG, así como 6 puertos UART, cinco I2C y cuatro SPI. La MAC Ethernet de 100 Mbps integrada utiliza un interfaz estándar RMII/MII a chips de Interface Físico (PHY) y bajo coste, mientras que los módulos CAN y USB incorporan un interface DMA. Microchip ofrece pilas de software TCP/IP y USB gratuitas, incluyendo código fuente completo para facilitar aún más el desarrollo de software, acelerar el plazo de comercialización y reducir los costes totales. El software disponible incluye dos pilas de software TCP/IP así como bibliotecas para USB Host y Dispositivo), criptograﬁado AES (Advanced Encryption Standard), múltiples sistemas de archivos, gráﬁcos avanzados, audio y otros muchos productos de software. La adopción del software para toda la oferta de microcontroladores de Microchip PIC 600-plus de 8, 16 y 32 bit resulta sencilla dado que sus herramientas de desarrollo, pilas USB y pilas TCP/IP cubren toda la gama de microcontroladores PIC. Además, las nuevas familias PIC32MX5/6/7 tienen patillas compatibles con las familias de microcontroladores USB existentes: PIC32 y PIC24F. DIC 09 | Mundo Electrónico

■ El receptor de frecuencia intermedia de National Semiconductor incorpora un diseño multiportadora y multiestándar que le permite trabajar en diferentes redes inalámbricas como GSM/EDGE, WCDMA, LTE y WiMAX. El kit de diseño de referencia proporciona el material técnico necesario a los ingenieros para realizar su diseño, incluyendo placa, software, esquemáticos y ficheros Gerber para acelerar sus desarrollos. La placa de diseño de referencia modelo SP16160CH1RB facilita la evaluación del camino de señal de recepción bajo gran variedad de condiciones de entrada. Cuando se combina con un frontal de RF de alta linealidad y bajo ruido y con el suficiente filtrado de FI, el diseño de referencia permite conseguir receptores de alta sensibilidad que superan los requisitos de multiportadora GSM tanto en comunicaciones normales como por bloques. ALTA SENSIBILIDAD DE RECEPCIÓN Suministra una sensibilidad en el receptor de cadena de FI de -105 dBm con una relación portadora/ruido de

9 dB en un canal de 200 kHz a 192 MHz de FI de entrada. Con el amplificador de ganancia variable controlado digitalmente ajustado a una ganancia máxima de 22 dB, la sensibilidad viene limitada principalmente por la contribución al ruido del amplificador. El receptor trabaja a partir de una fuente de alimentación simple de 5 V e incluye un convertidor A/D dual, bajo la referencia ADC16DV160, de 16 bit con una velocidad de muestreo de 160 MS/s, un amplifica-

dor de ganancia dual (LMH6517) y un limpiador de jitter de reloj (LMK04031B). El ADC16DV160 proporciona una relación señal/ruido de 76,3 dBFS y una SFDR de 91,2 dBFS con una OIP3 de 45 dBm.

Procesador de 6 núcleos de Texas Instruments ■ El procesador DSP TMS320C6472 de Texas Instruments se caracteriza por un consumo de 3,68 W cuando está trabajando con sus 6 núcleos procesadores a una frecuencia de 500 MHz al 80%. Los núcleos soportan frecuencias de 625 y 700 MHz con un punto de máxima eﬁciencia de consumo justo en los indicados 500 MHz de frecuencia. El dispositivo también incluye 4,8 MB de memoria de nivel 1 y nivel 2 partida para cada núcleo de forma dedicada, al tiempo que incluye 768 bytes de memoria de programa/datos de nivel 2 compartida. El controlador de la memoria compartida proporciona soporte de coherencia no basado en hardware por lo que las aplicaciones que requieran coheren-

cia necesitan una gestión por software. Entre los periféricos de conexión se incluyen GbE, Serial RapidIO, DDR2, un puerto de interface serie para comunicación, interface host, Utopia, I2C y GPIO. Este tipo de DSP se destina a aplicaciones de alto nivel en la industria, medida, comunicaciones, medicina o vídeo. El modulo TMS320C6472 incluye un procesador C6472 con 256 MB a 533 MHz, 128 MB de memoria ﬂash tipo NAND, 1 Mb de memoria EEPROM, dos RGMII, puertos Ethernet 10/100/1000 Mbps con MDIO, RS-230. Todo ello en un formato AMC (Advanced Mezzanine Card) de 170 patillas que puede trabajar sobre SRIO, TSIP, EMAC1, I2C y C6455 HPI.

Plataforma multifunción

Aeroflex propone un versátil analizador vectorial hasta 6 GHz ■ Aeroflex (distribuido por Adler Instrumentos) ha presentado la serie 7000 de equipos VAG (generadores de análisis vectorial), dentro de un sistema autónomo que proporciona todos los test paramétricos de RF necesarios para la comprobación de sistemas y subsistemas de componentes inalámbricos. Esta serie combina la generación de señal vectorial con el análisis de señal vectorial en un mismo equipo permitiendo todo tipo de medidas a partir de una misma plataforma, incluyendo medidas de LTE. El equipo también incluye funciones para mejorar la interacción con el sistema de medida como un interface de pantalla táctil intuitivo. Además al ser modular y definido por software, permite una gran flexibilidad de funcionamiento, así como posibilidades de escalado hacia comunicaciones como LTE, GSM/GPRS/EDGE, 3G/HSPA y WLAN. INSTRUMENTO DE DOBLE FUNCIÓN Los dos generadores de señal integrados permiten medidas simultáneas de intermodulación al tiempo que se realizan análisis de las medidas, es decir, no se requiere un generador y un analizador independientes sino que un solo instrumento realiza las dos funciones. La plataforma también soporta dos generadores de señal independiente, permitiendo el uso del instrumento como receptor de sensibilidad y para medidas de bloqueo, simulación MIMO y comprobación de intermodulación de amplificadores, mezcladores y cualquier otro tipo de componente inalámbrico.

Soluciones GPS basadas en SiRFstarIV ■ Los primeros módulos de Vincotech basados en la última tecnología SiRFstarIV integran el circuito GSD4e de CSR, que permite incrementar la funcionalidad de los receptores GPS llegando a un nuevo número de aplicaciones, incluyendo telemática, dispositivos móviles comerciales y de consumo, todo ello con unas prestaciones mejoradas. El circuito GSD4e con tecnología SiRFaware proporciona una posición de arranque en pocos segundos, independientemente del estado de conexión o desconexión del receptor antes de la petición de posición. SiRFaware mantiene las condiciones de arranque continuamente y puede proporcionar una posición precisa en pocos segundos. Con una sensibilidad de navegación de -160 dBm (calculando nuevas posiciones) y -163 dBm de sensibilidad de seguimiento (siguiendo las señales de los satélites), permite mejorar considerablemente la experiencia de utilizar un sistema de posicionamiento global. Además, este circuito permite reducir el consumo de energía hasta un nivel entre 50 y 400 µA. Otro de los puntos importantes es la discriminación de las señales de interferencia debido a que los terminales móviles actuales no sólo reciben señales GPS, sino que pueden incluir receptores WLAN, Bluetooth o ZigBee que, el GSD4e puede detectar y atenuar para lograr que múltiples señales de radio puedan funcionar en el mismo dispositivo móvil. Mundo Electrónico | DIC 09

actualidad

Tecnología

Micro ARM con USB integrado de Atmel ■ Atmel (firma representada por Anatronic) ha anunciado el SAM3U como primer microcontrolador flash ARM Cortex-M3 que integra USB Dispositivo y Transceptor de alta velocidad (480 Mbps), SDIO/SCCard 2.0 de 4 bit y 192 Mbps, Host MMC 4.3 de 8 bit y 384 Mbps e interfaces SPI de 48 Mbps integrado. Esta conectividad, junto con una frecuencia operativa de 96 MHz/1,25 DMIPS por MHz, hace que el SAM3U se convierta en un dispositivo CortexM3 especialmente indicado para tareas con requerimientos de comunicaciones intensivas, como pasarelas de alta velocidad en aplicaciones industriales, sanitarias, de proceso de datos y de consumo. El nuevo dispositivo se basa en una arquitectura de elevado ancho de banda con una matriz de bus de cinco capas, 23 canales DMA y memoria integrada y distribuida con hasta 52 KB de RAM dividida en tres bloques y hasta 256 KB de flash en dos bancos. CONSUMO MINIMIZADO Entre sus restantes características se encuentran un convertidor A/D de 8 canales y 10/12 bit, cuatro UART, cinco SPI, dos I2C, I2S, temporizadores, PWM, ID de 128 bit y gestión de potencia y reinicio. El interfaz de bus externo ofrece la posibilidad de elegir entre anchos de bus de datos de 8 y 16 bit para ampliar las oportunidades de memoria y conexión para FPGA y ASSP externos. Además, el SAM3U posee un margen de tensión de alimentación de 1,62 a 3,6 V, una característica que no se suele encontrar en MCU basados en Cortex-M3. El SAM3U incorpora un avanzado régimen de gestión de potencia que minimiza el consumo de energía ante cualquier condición de uso. El dispositivo puede trabajar en modo de salvaguarda con el núcleo y los periféricos apagados, con un consumo de tan sólo 2,5 µA. El modo ‘despertador desde salvaguarda' se puede poner en marcha mediante múltiples fuentes y acelerar a través de un oscilador RC integrado de alta velocidad. El núcleo Cortex-M3 tiene una arquitectura de instrucción completamente nueva, diferente a la de núcleos ARM previos. La migración de código ARM7 a Cortex-M3 requiere una reescritura completa del código de ensamblador. DIC 09 | Mundo Electrónico

Sin acuerdo sobre las licencias

UWB, descartada como opción para aplicaciones Bluetooth ■ El Bluetooth Special Interest Group ha anunciado su decisión de dejar de lado la tecnología UWB (UltraWideBand) para utilizar y estudiar la viabilidad de una tecnología de 60 GHz destinada al transporte de datos con protocolo Bluetooth de muy alta velocidad. Esta decisión, además, da otra estocada al estándar inalámbrico UWB que fue visto como una alternativa de futuro pero que por diferentes problemas y falta de acuerdo con respecto a la cesión de licencias, puede quedarse en otra alternativa tecnológica fallida. Parte de los problemas tiene su origen entre las desavenencias entre Bluetooth SIG y los miembros de la alianza WiMedia (propietarios de UWB), sobre el pago sobre el licenciamiento. WiMedia cuenta con 350 miembros entre los que se encuentran Intel, TI, Philips, Kodak, Nokia o Microsoft, y parece que se resisten a ofrecer licencias de la tecnología para aplicaciones Bluetooth sin cargos. En este estado de cosas, Bluetooth SIG está cambiando sus preferencias

de forma que ahora sopesa la tecnología de 60 GHz como alternativa. Sin embargo, esta tecnología está dividida entre dos estándares emergentes controlados por dos asociaciones distintas, por lo que el enfrentamiento puede volver a estar a la orden del día. El grupo WirelessHD promueve circuitos SiBeam que también se utilizan en TV para el envío de vídeo sin compresión y se basa en la especiﬁcación IEEE-802.15.3c. Frente a este grupo, Wireless Gigabit Alliance, presentó a principios de año una serie de estándares para WiFi de alta velocidad según las especiﬁcaciones IEEE-802. ad, con diferentes aplicaciones que se solapan a las de WirelessHD. En este estado de cosas es difícil predecir cuál será el futuro de las comunicaciones inalámbricas de alta velocidad, ya sean de corto alcance (caso Bluetooth) como de largo alcanzo (sistemas WiFi). Los próximos años deberían reorganizar el mercado en función de las demandas reales de los usuarios o del rendimiento de la tecnología.

NEC presenta microcontroladores ﬂash de 16 bit con IEEE-802.15.4 ■ NEC Electronics ha presentado una gama de microcontroladores ﬂash de 16 bit. Los tres nuevos modelos incluyen un transceptor con homologación IEEE-802.15.4 para trabajar a 2,4 GHz para ZigBee RF4CE destinado al control remoto de equipamiento industrial y a electrónica de consumo. Los nuevos micros son adecuados para control remoto de sistemas y proporcionan un nivel de consumo muy reducido en un encapsulado de 56 patillas dentro de un formato QFN de 8x8 mm. Los tres modelos se diferencian en la cantidad de memoria que incluyen: 64, 96 y 128 KB para los modelos µPD78F8056, µPD78F8057 y µPD78F8058. Para el desarrollo de las aplicaciones ZigBee, la compañía japonesa proporciona un kit de desarrollo de software que incluye una librería de pila ZigBee RF4CE y comprobador en tiempo real de tres canales capaz de monitorizar simultáneamente los paquetes desde

los tres canales de frecuencia del RF4CE. NEC también cuenta con una placa de evaluación que incluye el modelo µPD78F8058. Entre las características más destacadas de estos modelos se incluye un bajo consumo de en 18 mA de corriente en recepción y 19 mA en transmisión. La memoria EEPROM que incorpora se puede escribir y borrar a una tensión de 1,8 V que, para que no haya pérdida de datos, también incluye diferentes elementos de seguridad.

Para decodiﬁcadores de TV digital

Basados en A/D delta-sigma dobles

CI de entrada analógica para contadores ■ El modelo AFE MCP3901 desarrollado por Microchip incorpora convertidores A/D delta-sigma dobles de 16/24 bit de alta velocidad con un máximo de 91dB de relación señal-ruido y distorsión (SINAD), ampliﬁcadores de ganancia programable y referencia de tensión integrados; compensación de retardo de fase; y un bloque de salida con modulador que según el fabricante, permiten realizar medidas más precisas que las soluciones de la competencia. Con su conjunto exclusivo de funciones, muestreo a alta velocidad hasta 64 kS/s e interface SPI, el nuevo componente resulta particularmente adecuado para una amplia variedad de aplicaciones de contadores monofásicos y trifásicos, así como en industria y medicina. Los PGA y la referencia de tensión de baja deriva para medir señales de muy bajo nivel reducen el número de componentes externos necesarios.

AD consigue 400 MHz en sus D/A de 16 bit

STM integra convertidor D/A y control de audio ■ STMicroelectronics integra en un chip un convertidor D/ A y un circuito de control de línea que puede suministrar la conexión de salida de línea de audio en decodiﬁcadores de TV digital, reproductores de DVD y otros equipos de electrónica de consumo. Implantado en un SoC (system-on-chip) con circuito de gestión de consumo interno, el TS4657 produce una señal de audio de 2,2 Vrms que elimina la necesidad de utilizar una fuente de alimentación de alta tensión separada para controlar la salida de línea, al tiempo que la incorporación de cuatro condensadores que actúan de bombas de carga, junto con su capacidad para generar tanto señales positivas como negativas permiten eliminar la referencia a masa de la señal de audio, lo que asimismo elimina la necesidad de un condensador de desacoplo en la línea de señal de audio. Implantado en una cápsula QFN20 de 4x4 mm, el dispositivo puede trabajar a tensiones comprendidas entre 3,0 V y 5,5 V con una corriente operativa de 7,4 mA, hecho que permite aﬁrmar a su fabricante que su producto permite reducir el consumo en 2/3 respecto de las soluciones de sus más directos competidores. Otras prestaciones de notoriedad son una dinámica de 93 dB, un rechazo de fuente de alimentación de 80 dB a 217 Hz y una distorsión armónica total más ruido de 81 dB a 0 dBFS.

■ Analog Devices anuncia un convertidor D/A doble de 16 bit y 1,2 GS/s que soporta tanto la velocidad de transferencia como los complejos esquemas de modulación utilizados en los equipos de comunicaciones de banda ancha e inalámbricos multiportadora avanzados. Caracterizado por incorporar un oscilador controlado numéricamente de 32 bit que permite un emplazamiento ﬂexible de la frecuencia intermedia para permitir optimizar las prestaciones de un sistema, el AD9122DAC satisface las especiﬁcaciones de las estaciones base celulares multiestándar, así como todas aquellas aplicaciones que utilicen técnicas de predistorsión digital avanzada.

IGBT de 1200 V y bajas pérdidas Los STMicroelectronics modelos STGW30N120KD y STGW40N120KD se presentan en cápsulas TO-247 que permiten reducir el número de componentes al tiempo que integran el diodo de rodamiento libre de alta velocidad. Caracterizados por soportar cortocircuitos de hasta 10 µs, lo que los hace resistentes a los fallos comunes debido a fallos del motor, como un error en la señal de gobierno de puerta, el cortocircuito y la ruptura del aislamiento entre fases. Diseñados para trabajar con una tensión nominal de 1200 V, lo que permite utilizar mayores tensiones de línea de CA de 440 V o 480 V y pueden soportar intensidades de 20 A y 40 A, respectivamente. Mundo Electrónico | DIC 09

actualidad

Tecnología

Nueva técnica de control

SLLM aumenta la eficiencia en los reguladores POL de Rohm ■ Los valores de eficiencia de las fuentes de alimentación con carga máxima no reflejan adecuadamente el consumo de energía bajo las condiciones reales de funcionamiento. Para prolongar el período de funcionamiento de los productos portátiles con una sola carga de batería, el consumo ha de verse reducido en todos los modos de funcionamiento. La mejora de la eficiencia debe incluir situaciones más habituales como cargas muy pequeñas y ha de formar parte del planteamiento del diseño en los productos “ecológicos” de próxima generación. Los dispositivos que no suelan trabajar con los elevados niveles de potencia en todo momento pueden aprovechar las ventajas que proporciona el control del punto de carga (point of load, POL) para mejorar la eficiencia en todo el rango de funcionamiento. Esto es válido para una enorme variedad de productos, como terminales set-top box, sintonizadores digitales, visualizadores LCD, reproductores digitales portátiles, módulos para LAN inalámbrica, PC, fuentes de alimentación para microprocesadores, GPS y teléfonos móviles, por poner algunos ejemplos. Los diseñadores de sistemas utilizan generalmente reguladores conmutados POL de alta eficiencia para convertir los 5 V de la fuente a valores de tensión como 3,3 V, 2,0 V, 1,8 V o inferiores, tal como requieren los microprocesadores de altas prestaciones y sus periféricos. Muchos reguladores POL emplean el control en modo co-

rriente (CM) para lograr una alta eficiencia y una rápida respuesta a las variaciones de la carga. El regulador CM combina un lazo de realimentación de corriente y realimentación de tensión para mejorar el control PWM. Frente a un “CI controlador”, estos reguladores conmutados integran los MOSFET de potencia y la circuitería de control en un único CI. Con una frecuencia de oscilación PWM fija de 0,5 a 2 MHz, la señal SET de OSC pone en conducción al MOSFET del lado de alto potencial (high-side), desconecta el MOSFET del lado de bajo potencial (low-side) y aumenta la corriente del inductor (IL). El comparador de corriente recibe una señal de control de la realimentación de corriente (SENSE) que es IL convertida en una tensión y una señal de control de realimentación de tensión (FB). Si ambas señales de entrada son idénticas, el comparador genera una señal de RESET, desconectando el MOSFET del lado de alto potencial y conectando el MOSFET el lado de bajo potencial durante el resto del período fijo. El control PWM repite esta operación. Este proceso mejora el tiempo de respuesta para variaciones menores de la tensión bajo condiciones cambiantes de la carga. En el diseño de dispositivos POL, la caída de tensión cuando aumenta la carga en el regulador POL y la rapidez de respuesta del regulador son factores clave en un sistema bien diseñado. De hecho, una estrecha regulación de la carga puede resultar crítica para

Figura 1. Comparación entre SLLM y el tradicional control PWM. DIC 09 | Mundo Electrónico

evitar problemas de funcionamiento e incluso averías en dispositivos sensibles a la tensión, especialmente en circuitos con tensiones de alimentación de 1.8V o menos. FUNDAMENTOS DE SLLM Para mejorar la eficiencia de productos en los modos de funcionamiento de bajo consumo ignorados hasta ahora, los ingenieros de Rohm Semiconductor han desarrollado una técnica denominada Simple Light Load Mode Control (SLLM, figura 1). Con cargas elevadas se utiliza el habitual control PWM en modo corriente. Cuando se detecta una carga pequeña el pulso de conmutación (SW) desconecta el lazo de control PWM, permitiendo así un funcionamiento lineal sin una excesiva caída de tensión ni un deterioro de la respuesta a transitorios durante la conmutación de una carga pequeña a grande o viceversa. La técnica SLLM permite que los reguladores activen o desactiven el control PWM dependiendo de las condiciones de la carga. Este modo de funcionamiento dual mejora la eficiencia entre un 100% y un 200% respecto a los controladores PWM estándar que ignoran el régimen de funcionamiento de bajo consumo. Además, la realimentación en modo corriente asegura una rápida respuesta a las variaciones de la carga y evita problemas de funcionamiento en dispositivos sensibles a la tensión, especialmente en circuitos con una tensión de alimentación de 1,8V o menos.

Basados en dos MOSFET

Optoacoplador de NEC para control de potencia

Figura 2. La técnica SLLM mejora el funcionamiento para cargas pequeñas.

SOLUCIONES CON MAYORES NIVELES DE EFICIENCIA Y PRESTACIONES Rohm Semiconductor ha incorporado SLLM junto a la rectificación síncrona avanzada y otras técnicas para el ahorro de energía en sus reguladores reductores conmutados de la serie BD91x. Si bien resulta sencillo describir su funcionamiento, la circuitería de SLLM requiere un elevado nivel de complejidad para evitar problemas durante la transición entre SLLM y el control PWM estándar. Este método de control para pequeñas cargas garantiza un bajo consumo y una alta eficiencia con cargas variables, incluso en modo “no conmutado” o en suspensión. Además de la rectificación síncrona, la baja resistencia en conducción de los MOSFET de potencia integrados y su capacidad de conmutación a alta velocidad hace que los dispositivos de la serie BD91x logren una mayor eficiencia en todos los rangos de funcionamiento. La eficiencia puede ser superior tanto en modo de baja como de alta corriente si se compara con otros diseños de regulador conmutado basado en MOSFET. La tecnología SLLM reduce la disipación en la conmutación y en la carga/descarga de puerta, la disipación provocada por la ESR de los condensadores de salida y la disipación de la resistencia en conducción para aumentar la eficiencia para cargas pequeñas. Por otro lado, la rápida respuesta del lazo de detección/realimentación de corriente en la serie BD91x a cualquier cambio en la corriente de carga reduce la variación de la tensión hasta un 50%. La variación de la salida utilizando diferentes métodos puede ser fácilmente hasta un 20 mV mayor. Junto con la circuitería de protección habitual, como el bloqueo por subtensión, apagado térmico, protección frente a sobrecorrientes y cortocircuitos, la serie BD91x incluye una función de espera (stand-by) con una corriente cercana a cero en este modo, función de arranque suave y una precisión de la tensión de salida del ±1,5%/±2,0%. Otro aspecto destacable es que los dispositivos de la serie BD91x requieren menos de diez componentes pasivos para realizar una conversión de alta eficiencia. El tamaño del inductor también puede verse reducido, lo cual resulta ventajoso en aplicaciones con poco espacio disponible. Para finalizar, por lo que respecta al encapsulado la serie BD91x es del tipo SO (small outline) y a nivel de oblea (wafer-level), una vez más para facilitar su introducción en aplicaciones con restricciones de espacio. El fabricante tiene previsto recurrir en un futuro a otros encapsulados de huella reducida como CSP (chip-scale-package) para aplicaciones móviles.

■ Para mejorar las funciones de gobierno de los circuitos de potencia tipo IGBT o MOSFET, NEC Electronics ha decidido sustituir la forma de salida bipolar-MOSFET tradicional en los optoacopladores de gobierno de puerta por una versión MOSFET-MOSFET, que según el fabricante mejora la velocidad de conmutación, reduce la caída de tensión y permite obtener un gobierno de los IGBT más eﬁciente. Diseñados para entregar una corriente de salida de pico máxima de 2,5 A, se suministran en dos versiones de encapsulado; de los que el modelo PS9505 lo hace en formato convencional DIP de 8 terminales, mientras que su homónimo PS9305 lo hace en un DIP reducido (SDIP) con 8 patillas de conexión y una distancia entre terminales de 1,27 mm, lo que reduce a la mitad el espacio ocupado frente a un DIP 8 convencional. Ambos componentes contienen un diodo LED de AlGaAs en la entrada y un fotodiodo con funciones de tratamiento de señal y una etapa de potencia a la salida. Entre sus parámetros eléctricos destacan un tiempo de conmutación máximo de 0,25 µs con una distorsión de impulso de 0,1 µs como máximo; una tensión de salida mínima de –3,0 VCC a una intensidad de salida de 100 mA, limitación de corriente máxima de entrada a 2 mA, circuito de elevada inmunidad frente a transitorios de modo común, a un máximo de 25 kV/µs y circuito de protección de bloqueo.

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OPINIÓN 14

Gary Nevison Farnell

Uso de SVHC (sustancias altamente preocupantes) en componentes y conectores pasivos « El principal desafío del sector hasta la fecha lo ha constituido la recogida de datos de asesoramiento para casos de presencia de las denominadas Sustancias Altamente Preocupantes a un nivel del 0,1% del peso total de un producto que se considere ‘artículo’ según las normativas »

■ NORMATIVA 1907/2006: LA REGULACIÓN, EVALUACIÓN, AUTORIZACIÓN -Y RESTRICCIÓN- DE SUSTANCIAS QUÍMICAS (REACH por sus siglas en inglés) entró en vigor el 1 de junio de 2007 después de casi 8 años de debate, y abarca unas 849 páginas de directivas. El único censo realizado de sustancias químicas, fechado en 1981, ponía de relieve la existencia de 100.106 sustancias de este tipo en el mercado. De aquellas que se utilizaban, fabricaban o importaban a niveles de 1.000 toneladas o más, el 21% no disponía de ningún dato sobre seguridad y el 65% proporcionaba información insuﬁciente. Sólo el 3% había pasado todas las pruebas pertinentes. Al mismo tiempo, se experimentó un alarmante aumento en Europa de casos de alergia, asma y determinados tipos de cáncer y trastornos reproductivos. Sólo las enfermedades de la piel provocaron una pérdida de 3 millones de días laborables al año. Impulsada por el ﬂujo obligatorio de datos de seguridad que debe existir en una cadena de suministros, REACH intenta proporcionar la protección adecuada en temas de salud y medio ambiente.

RECOGIDA DE DATOS El principal desafío del sector hasta la fecha lo ha constituido la recogida de datos de asesoramiento para casos de presencia de las denominadas Sustancias Altamente Preocupantes (SVHC) a un nivel del 0,1% del peso total de un producto que se considere "artículo" según las normativas. Como obligación mínima, se debe lograr que, tanto el nombre de la sustancia como los datos de seguridad de uso de la sustancia se distribuyan a lo largo de toda la cadena de suministro correspondiente. Las sustancias clasiﬁcadas como SVHC incluyen aquéllas que se consideran cancerígenas, mutagénicas o tóxicas para ﬁnes reproductivos. Asimismo, se consideran SVHC las sustancias resistentes, no biodegradables y tóxicas, y también ‘otras’ sustancias como los alteradores endocrinos, que pueden afectar negativamente a la vida acuática. En octubre de 2008, la Agencia Europea de Sustancias Químicas publicó el primer lote de 15 sustancias altamente preocupantes y en enero de 2009 se seleccionaron siete de ellas para una evaluación que determinaría si su uso debía conllevar una costosa ‘autorización para su uso’. Las siete sustancias recibieron DIC 09 | Mundo Electrónico

la aprobación pertinente y será la Comisión Europea la que establezca la fecha en la que se añadirán al Anexo XIV. Estas obligaciones entrarán en vigor entre 42 y 48 meses más tarde, una fecha que se conoce como "crepuscular". Cuando se aprueba una autorización de este tipo, los futuros usuarios sólo pueden utilizar estas sustancias para el uso para el que se ha establecido la autorización y adquirirlas únicamente de la empresa a la que se ha otorgado dicha autorización. La recogida de datos realizada por REACH ha tenido como resultado la circulación de cientos de ‘cartas estándar’ en distintos formatos. Muchos fabricantes se han negado a contestar a las solicitudes especíﬁcas que han recibido y han preferido promover el uso de sitios web o bases de datos centrales (que han tardado bastante en desarrollarse). Las directrices de ayuda sobre la normativa aconsejan establecer un enfoque de colaboración informativa más que el suministro de un enlace a un sitio web. De la misma forma, también se han dado multitud de solicitudes aleatorias de información no obligatoria, como datos previos sobre registro y certiﬁcados de cumplimiento de tipo RoHS.

PRÓXIMAS PUBLICACIONES Los próximos lotes de SVHC se irán publicando de forma regular; el próximo lote se espera para principios de 2010, por lo que REACH no será una asignatura que se pueda considerar completamente aprobada hasta dentro de varios años. De las 15 SVHC, tres son ftalatos que se utilizan para goma, PVC, adhesivos, tintas, lacas y selladores para aportar flexibilidad. Otra de las sustancias es una ‘parafina clorada de cadena corta’ (PCCC) que también se utiliza como plastificante y como material ignífugo, y puede aplicarse a goma y a PVC. Por su parte, el hexabromociclododecano (HBCDD), también ignífugo, se usa en poliestireno de alto impacto. Es poco probable que la mayoría de componentes pasivos incluyan SVHC, ya que la mayor parte de dispositivos no contienen piezas de goma o PVC, y el poliestireno se suele utilizar para carcasas de equipo y no para los componentes. Sin embargo, existen algunos elementos que contienen piezas de goma, como los condensadores electrolíticos. Estos objetos suelen tener una junta o ‘cubierta’ hecha de un tipo de goma que puede contener uno de los ptalatos o SCCP.

«Los próximos lotes de SVHC se irán publicando de forma regular; el próximo lote se espera para principios de 2010, por lo que REACH no será una asignatura que se pueda considerar completamente aprobada hasta dentro de varios años»

« Algunos componentes pasivos pueden contener también aislamiento de cables de PVC, juntas de goma o tener relleno de materiales ﬂexibles de encapsulado que pueden contener uno de los tres ftalatos, SVHC o PCCC »

Los condensadores electrolíticos tienen también una etiqueta de plástico hecha de PVC plastificado que puede contener ftalatos. Algunos componentes pasivos pueden contener también aislamiento de cables de PVC, juntas de goma o tener relleno de materiales flexibles de encapsulado que pueden contener uno de los tres ptalatos, SVHC o PCCC. Por su parte, algunos conectores están hechos de un PVC que puede estar plastificado, y algunos de ellos cuentan también con juntas de goma o adhesivos flexibles que incluyen ftalatos. Los filtros metálicos de los equipos pueden incluir arandelas o juntas que contengan SVHC. Asimismo, los inductores y las bobinas de choque están fabricados con cable de cobre que, a su vez, contiene revestimientos de laca. Estas lacas se han diseñado para aportar flexibilidad de forma que las bobinas no se rompan al enroscarse; por tanto, es posible que puedan contener un tipo de ftalato que actúe como plastificante. Los potenciómetros están fabricados con distintos diseños por lo que, en algunos casos, pueden incluir juntas de goma. Como norma general, los ingenieros de diseño electrónico deben tener en cuenta que, si una pieza contiene goma o un material plástico flexible como PVC, puede que se haya agregado un ftalato o una PCCC a la goma, el plástico o el material de encapsulado, o también a la tinta utilizada para las marcas.

(*) Parte de la información de este artículo es cortesía de ERA Technology Limited, que opera como Cobham Technical Services.

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dossier 16

Semiconductores de potencia

Dispositivos clave para aumentar la eﬁciencia energética El desarrollo de los semiconductores de potencia ha impulsado su uso en una enorme variedad de aplicaciones. La apuesta generalizada por las energías renovables y el papel que juegan estos dispositivos en la búsqueda de una mayor eﬁciencia energética augura a estos dispositivos un porvenir notable. Nuria Calle

esde su despegue en la década de los 70 del siglo pasado, los semiconductores de potencia han experimentado una evolución firme y constante. Gracias a su perfeccionamiento se han logrado dispositivos de menor tamaño y más eficientes que han llevado a su predominio frente a las soluciones electromecánicas. Como argumenta y resume Manuel Sánchez, Director General de Epcos, que comercializa los productos de Epcos e Infineon para España y Portugal, tanto en el ámbito de las energías renovables como de la industria, el transporte, la transmisión y la distribución de energía, estos dispositivos han asumido un papel clave. Por eso las compañías líderes del sector, como Infineon, están centrando su negocio en disponer de una amplia gama de productos dirigidos especialmente a estas áreas, a las que, debido a su potencial, hay que sumar con especial interés, como destaca Manuel Sánchez, la del automóvil eléctrico. Desde un punto de vista tecnológico la tendencia se ha centrado en fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutación así como con capacidad para bloquear elevadas tensiones y permitir el paso de grandes corrientes. También se ha insistido mucho en facilitar su control y en reducir su consumo de energía. A lo largo de su historia, las aplicaciones de los semiconductores de potencia han resultado imprescindibles para el progreso del mundo actual. Así, se puede destacar la utilización de tiristores en centrales de alta potencia; los GTO (Gate Turn-off Thyristors) en aplicaciones ferroviarias; módulos de transistores, módulos de MOSFET,

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IGBT y GTO en SAI (sistemas de alimentación ininterrumpida), control de motores y robótica; MOSFET para automoción, fuentes conmutadas, electrónica de consumo y hornos microondas; y módulos de transistores para electrodomésticos y aire acondicionado. Son tan sólo algunos ejemplos de la amplia utilización de los semiconductores de potencia. La importancia de las renovables “Las aplicaciones más tradicionales de los semiconductores de potencia han sido los variadores de velocidad para accionamientos eléctricos y los sistemas de alimentación (cargadores de batería, SAI, etc.). Otro sector fuerte históricamente es el de vehículos eléctricos, principalmente industriales, tales como carretillas elevadoras, etc. Áreas como el control de proceso industrial también son relevantes”, explica Carlos Oliver, Stack Manager de Semikron. Oliver destaca asimismo que, frente a estas áreas de negocio, en los últimos años las energías renovables, principalmente la eólica y la solar, han supuesto un importante incremento de la demanda de semiconductores de potencia. “Las nuevas políticas centradas en el cuidado del medio ambiente y en el apoyo a la generación de energía a partir de fuentes renovables tienen un profundo impacto en el sector ya que estos componentes tienen que satisfacer unos requisitos importantes en relación a la eﬁciencia, vida del producto, etc.”. Oliver matiza que aunque actualmente sólo representa un 5% del total del mercado, las energías renovables y en particular la eólica, es el sector que más crece con un aumento anual del 25%. Asimismo resalta que las aplicaciones de automoción, aun

Antonio Fernández (EBV Elektronik)

Segis Peláez (Venco)

Carlos Oliver (Semikron)

“El mercado evoluciona hacia un mayor uso de los IGBT”

“En la actualidad cada vez aparecen más empresas de tamaño medio y ‘start-ups’ que debutan en el sector”

“El diseño y la construcción del encapsulado son aspectos básicos”

representando sólo un 4% del mercado, están creciendo a ritmos cercanos al 20% anual. La oferta de productos de Semikron en electrónica de potencia consiste en diodos y tiristores integrados y discretos, módulos de potencia (IGBT, MOSFET, diodo, tiristor, CIB e IPM), controladores de IGBT, así como montajes integrados de potencia y soluciones a medida, para aplicaciones desde 1 kW hasta varios megavatios de potencia. En 2009 la compañía introdujo en el mercado la nueva generación de SKiiP, su producto estrella para aplicaciones de generación eólica y solar. A través de la utilización de la tecnología SKINTER permite eliminar el 100% de las soldaduras entre el chip y el sustrato cerámico. “Si a esto unimos el uso de nuevas tecnologías en los CI IGBT, se consigue un aumento del 33% en la densidad de potencia. Está previsto disponer de módulos SKiiP de hasta 3600 A de corriente en el colector (IC), lo que permitirá su empleo en aplicaciones de hasta 1,8 MW”, subraya Oliver. Entre las próximas novedades se encuentra una actualización de módulos de diodos y tiristores, SEMIPACK 1.6. “Con esta generación, la sexta desde que inventamos el producto hace más de 30 años, se aumenta la ﬁabilidad debido a la introducción de la tecnología de contacto por presión en las conexiones auxiliares. Asimismo, se respeta el diseño mecánico de las versiones anteriores para facilitar su sustitución sin realizar cambio mecánico alguno”. Por último, Oliver adelanta que en 2010 tienen la intención de introducir un nuevo módulo integrado para automoción que se unirá al SKiM, primer módulo totalmente exento de soldadura.

en módulos de diodos y tiristores (SEMIPACK) con un 37% del mercado. Además, resaltan que los componentes de la familia SKiiP, IPM se utilizan en casi el 50% de los convertidores electrónicos de todas las instalaciones eólicas. El motivo de este éxito es, en opinión de su Stack Manager, que la compañía desarrolla tecnologías novedosas y pioneras en la industria que

luego se convierten en estándares. Una vez más, la inversión en I+D+i parece ser la llave que abre la puerta de las perspectivas del negocio. Segis Peláez, Director de Producto de la División de Potencia de Venco Electrónica, augura que en lo que se reﬁere a la evolución de dispositivos en sí, las líneas de investigación básica son las que más pueden inﬂuir en el futuro ya

Sin investigación no hay progreso Según anuncia la propia compañía, Semikron es líder del mercado mundial

Semiconductores de potencia digitales

Los DCP, motores de crecimiento

Los fabricantes de semiconductores de potencia digitales están destinados a experimentar una facturación que se multiplicará por siete en 2013 según la firma especialista en estudios de mercado iSuppli, para la cual las ventas totales de estos dispositivos pasarán de los 127 M$ de 2008 a 821 M$ en 2013. Para los autores del documento, el mercado de los semiconductores de potencia digitales consiste en dos tipos de productos: los gestores de potencia digital (DPM en su acrónimo inglés) y los controladores de potencia digitales (DCP). Si bien los primeros son actualmente el producto dominante, los segundos están llamados a experimentar un crecimiento aún mayor en los próximos años, para los que se pronostican unas ventas que pasarían de los escasos 16 M$ en 2008 a los 236 M$ en 2013. Las aplicaciones que tirarán del mercado serán, según los autores del documento, los servidores de gama alta y los equipos de telecomunicaciones y de comunicaciones de datos. Para 2011 el crecimiento podría llegar a los mercados informáticos de gama baja como los PC portátiles y las placas gráficas. Desde el punto de vista de la evolución tecnológica, los autores subrayan aspectos como la integración de la etapa de potencia, la generación de señales mixtas (analógicas y digitales) y la llegada de los buses de comunicación especialmente en las modalidades PMBus e I2C. Los DPM son componentes que utilizan la información digital para gestionar el funcionamiento global del sistema de potencia, así como la fuente de alimentación interna. Y con ellos las señales digitales se utilizan para gobernar una serie de tareas como el arranque, el establecimiento de secuencias, la compartición de carga y el equilibrio de la misma, así como las condiciones de fallos, entre otras. Por su parte, los DCP están definidos como controladores que utilizan técnicas digitales para controlar funciones de conmutación en una fuente de alimentación, equivalente en su forma más teórica, realizar la conversión A/D lo más pronto posible de forma que toda la realimentación y las funciones de control en la fuente están procesadas en el dominio digital. iSuppli señala que ciertos fabricantes de semiconductores están tratando de ganar posiciones en el mercado de DCP mediante la adquisición y compra de activos. Entre los que cita la compra de Primarion por Infineon en 2008, la adquisición de Fyrestorm por Exar y la de Zilker Labs por Intersil también en dicho año. En 2009, Texas Instruments compró Ciclon Semiconductor Device, lo que le ha permitido ofrecer una línea de MOSFET susceptible de ser integrados en la familia CDP de este fabricante. Mundo Electrónico | DIC 09

dossier

Semiconductores de potencia

que éstas son las que a largo plazo garantizan el liderazgo tecnológico. En cuanto a desarrollo tecnológico que afiance la competitividad del sector, Peláez afirma que la colaboración entre la industria y los centros de investigación afines a la universidad es también de gran importancia y advierte que, si bien se ha avanzado mucho en este sentido, todavía queda un largo camino por delante. Por otro lado, hace notar que es un mercado que se está diversificando de manera notable. “La alta potencia en el pasado parecía reservada a unos pocos ‘genios’ en gran-

Tres décadas de continua evolución tecnológica Durante los años setenta, los tiristores (SCR), los tiristores bloqueables por puerta (GTO); y los transistores bipolares (BJT) constituían los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los transistores MOSFET eran todavía demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los SCR y los BJT de aquella época podían conmutar a frecuencias entre 1 y 2 kHz. En la década de los ochenta se consiguieron bastantes avances, tales como reducción de la resistencia en conmutación de los transistores MOSFET, aumento de la tensión y la corriente permitida en los GTO, desarrollo de los dispositivos híbridos MOS-bipolar tales como los IGBT, así como el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones. Los dispositivos MOSFET se imponen ya que poseen una mayor velocidad de conmutación, un área de operación segura más grande y un funcionamiento más sencillo, en aplicaciones de reguladores de alta frecuencia y precisión para el control de motores. Los GTO se emplean con asiduidad en convertidores de alta potencia, debido a las mejoras en los procesos de diseño y fabricación que reducen su tamaño y mejoran su eﬁciencia. Aparecen los IGBT, elementos formados por dispositivos bipolares y dispositivos MOS, estos dispositivos se ajustan mucho mejor a los altas tensiones y a las grandes corrientes que los MOSFET y son capaces de conmutar a velocidades más altas que los BJT. Los IGBT pueden operar por encima de la banda de frecuencia audible, lo cual facilita la reducción de ruidos y ofrece mejoras en el control de convertidores de potencia. Mediados los años ochenta aparecen los dispositivos MCT que están constituidos por la unión de SCR y MOSFET. A partir de los años noventa los SCR van quedando relegados a un segundo plano y son sustituidos por los GTO. Se incrementa la frecuencia de conmutación en dispositivos MOSFET e IGBT, mientras que los BJT son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores. Los CI de potencia tienen una gran inﬂuencia en varias áreas de la electrónica de potencia. Fuente: Prof. J.D. Aguilar Peña; Departamento de Electrónica; Universidad de Jaén.

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des compañías. En la actualidad cada vez aparecen más empresas de tamaño medio y ‘start-ups’ que debutan en el sector. Con España como líder en energías renovables la motivación para invertir en este campo es alta”. Entrando más en concreto en las líneas de investigación que se siguen actualmente, Antonio Fernández, responsable europeo de Energías Renovables y Director Técnico de EBV Elektronik, comenta que se está trabajando fundamentalmente en el desarrollo de chips más eficientes y pequeños, en técnicas de soldadura por ultrasonidos para aumentar la fiabilidad, en sustratos con mejor transferencia y estabilidad térmica, en interconexiones internas con la menor inductancia posible y encapsulados cómodos de emplear. En cuanto a las aplicaciones que más fuerza están registrando en estos momentos apunta las fuentes de alimentación de mínimo consumo en reposo, los convertidores a tres niveles NPC (Neutral Point Clamped converter) para generación y conversión de energía, las pilas de combustible y los convertidores regenerativos. Carlos Oliver, de Semikron, corrobora esta opinión con la experiencia de su compañía. “Las conexiones soldadas, al igual que el aumento de la temperatura admisible en el chip, acentúan los problemas de fatiga térmica. Nosotros trabajamos en tecnologías de contacto por presión y de sinterizado que permiten eliminar el 100% de las soldaduras del módulo, aumentado así su fiabilidad y tiempo de vida, especialmente en módulos de gran potencia. En estos módulos de gran potencia es necesaria una configuración en paralelo de los semiconductores para alcanzar el nivel de corriente deseado. En estos casos, las tecnologías de contacto por presión nos permiten optimizar la colocación de los chips en el interior del módulo minimizando las inductancias parásitas”. Tendencias y mejoras Por otro lado, Oliver precisa que el mercado está evolucionando hacía un

mayor uso de los IGBT frente a diodos y tiristores. Este responsable vaticina que sólo aquellos módulos que ofrezcan ventajas al usuario y sean capaces de cumplir los requisitos técnicos a un bajo coste tendrán éxito, ya que actualmente se hace el máximo hincapié en la eficiencia y la mayor densidad de potencia del módulo, sobre todo en aplicaciones de energías renovables y de automoción. Asegura que esto se puede conseguir aumentado el nivel de integración. “Los módulos integrados inteligentes, como SKiiP, y los sistemas integrados donde el fabricante incorpora, además del semiconductor, otros elementos como sensores, elementos de disipación de calor, controlador, etc., permiten que el usuario final disponga de equipos más compactos y eficientes”. La tecnología de los semiconductores de potencia ha explorado prácticamente todo el potencial del silicio, por lo que según los expertos ya no se esperan grandes progresos con este material. Por eso, aunque el silicio tiene una vida larga por delante, la investigación en este frente se dirige a encontrar nuevos materiales con mejores propiedades. El mejor situado es el carburo de silicio (SiC), que empieza a tener repercusión en la industria, especialmente entre los módulos MOSFET y en los diodos que integran los módulos de IGBT, además de aplicaciones como fuentes conmutadas. Presenta una mejora de la eficiencia y permite trabajar a temperaturas más elevadas, pero todavía es muy caro y necesita más desarrollo antes de que se traspase su uso a otras aplicaciones. Antonio Fernández, de EBV Elektronik, matiza que los diodos de SiC están bajando de precio y ya empiezan a ser habituales en el control del factor de potencia para fuentes de alimentación y en el ámbito de las energías renovables. “En cuanto a los transistores, están apareciendo los primeros elabora-

Los CI de potencia de mayor demanda, más novedosos y con mayor potencial de crecimiento Para EBV Elektronik, la demanda de semiconductores de potencia se concentra principalmente en dispositivos como estos: ■ Módulos de IGBT de potencias medias (200A a 400A, 1200 y 1700 V); por su versatilidad en el campo de las renovables y el control de motores. ■ Módulos PrimePack de Infineon de alta potencia, por su extrema fiabilidad, elevadas prestaciones y coste razonable. ■ MOSFET de alta tensión (600 V) y bajas pérdidas. Imprescindibles para cumplir con las normativas de bajo consumo energético. ■ MOSFET de baja tensión con normativa de automoción AEC-Q101 por su alta fiabilidad en aplicaciones extremas. Por su carácter innovador, EBV destaca: ■ Circuito IGBT4 de Infineon, que permite elevar la temperatura de la unión de trabajo hasta 150ºC con un excelente equilibrio entre pérdidas de conducción y conmutación. ■ MOSFET de alta tensión (600 V) CoolMOS C6 y CP de Infineon, MDmesh V de STMicroelectronics y SupreMOS de Fairchild, que ofrecen pérdidas de potencia mínimas en aplicaciones de red.

dos con carburo de silicio y con nitruro de galio con excelentes prestaciones. El verdadero reto tecnológico es fabricar masivamente estos dispositivos a un precio comparable al silicio que justiﬁque su incorporación en sistemas industrializables”. Otro aspecto que inﬂuyendo en gran medida en la evolución del mundo de los semiconductores de potencia es el encapsulado, ya que su capacidad de disipación térmica condiciona el diseño de las conexiones eléctricas y las prestaciones del sistema. Como indica Antonio Fernández, de EBV Elektronik, “algunos de estos encapsulados, como Econo, 62 mm, IHM, PrimePack, se han estandarizado y están disponibles en varios fabricantes con las ventajas logísticas que ello supone para el cliente”. Por su parte, Segis Peláez de Venco Electrónica alude a la principal restricción que impone un encapsulado cuando hay que disipar mucho calor es de ti-

■ Controlador de PFC con entrelazado FAN9612 de Fairchild, que permite conseguir eficiencias del 96% en fuentes de alimentación de 100 W a 1 kW incluso con poca carga. ■ Módulos MIPAQ Serve de Infineon, que integran un inversor trifásico de hasta 200 A/ 1200 V con sus controladores en un encapsulado muy compacto y fiable. ■ Módulos SmartPACK de Infineon, que no requieren soldadura y se fijan con un solo tornillo. Ideales para control de motores y convertidores pequeños. Finalmente, por su potencial de crecimiento en los próximos años, EBV apuesta por: ■ Módulos de IGBT de alta potencia, por su demanda en el sector de la generación de energía y en el sector de la tracción eléctrica. ■ Tiristores de alta tensión; por su demanda en las redes de distribución de energía. ■ MOSFET de alta tensión, por su demanda para fuentes de alimentación de bajo consumo y convertidores en renovables.

po térmico. “En este sentido, se utiliza una cara del encapsulado para disipar calor, pero las líneas de trabajo van hacia cápsulas que disipen por ambas caras, materiales que mejoren la resistencia térmica desde el lado de silicio hasta el disipador y cada vez en cápsulas más pequeñas para una potencia dada”. Carlos Oliver, de Semikron, hace notar que el diseño y la construcción del encapsulado son básicos porque la mayoría de aplicaciones necesitan módulos de potencia de una alta ﬁabilidad, una alta robustez mecánica, eléctrica y térmica y que ofrezcan una alta densidad de potencia, además de un bajo coste. “Las nuevas tecnologías como los módulos de IGBT de contacto por presión, las láminas ﬂexibles en sustitución de las conexiones cableadas o "bond wires" y los sistemas embebidos, podrían ser capaces de dar respuesta a todos estos requerimientos”, asegura. Semikron ha desarrollado y patenta-

do numerosas tecnologías de encapsulado desde hace más de 30 años, cuando presentó el primer encapsulado aislado de un semiconductor. “Actualmente, las tecnologías en las que trabajamos se orientan hacía la eliminación del proceso de soldadura en la fabricación del módulo. Por un lado, la tecnología de contacto por presión y por otro, la tecnología de sinterizado SKiNTER, nos permiten ser los pioneros en la puesta en el mercado del primer módulo 100% sin soldaduras. Pensamos que en el futuro, el mercado tenderá hacía este tipo de módulos debido a las ventajas que ofrece”. Oliver considera que el siguiente paso debe ser eliminar las limitaciones que presentan los materiales de encapsulado -la carcasa, los terminales, la suela de cobre…-. “Esto sería posible simplemente no utilizándolos e integrando el sistema de potencia en la parte mecánica. ● Mundo Electrónico | DIC 09

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Circuitos para gestión de alimentación

Consideraciones térmicas Este artículo describe una fuente de alimentación conmutada y un inductor de potencia típico y sus prestaciones bajo altas temperaturas. Se estudian asimismo los métodos para medir la resistencia térmica y la capacidad térmica respecto al ambiente. Algunos ejemplos mostrados son un elevador inductivo con una fuente de corriente para LED blanco de alta corriente y un inductor de potencia típico. Travis Eichhorn [travis.eichhorn@nsc.com] National Semiconductor

L a circuitería de gestión de la alimentación de alta eficiencia no sólo mejora la vida de la batería y reduce la energía total necesaria, sino que también asegura que la potencia disipada en la propia circuitería no genere un aumento excesivo de la temperatura y en última instancia el fallo del dispositivo. Sin embargo, la eficiencia tiene sus límites y, en consecuencia, cuanto mayor es la potencia de salida requerida más potencia se disipa en la fuente de alimentación y los componentes externos asociados. Como resultado de ello, incluso con dispositivos de alta eficiencia la selección del componente adecuado y el diseño de la placa de circuito impreso (PCB) son factores críticos para asegurar que las temperaturas de unión y las temperaturas de los componentes no superen sus límites máximos. Antes de analizar las consideraciones de tipo térmico al diseñar circuitería para la gestión de la alimentación resulta valioso conocer los fundamentos de la transferencia de calor. En primer lugar, el calor es la energía transferida entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura existente entre ellos. La transferencia de calor tiene lugar mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación. La conducción se produce cuando un dispositivo con una alta temperatura entra en contacto con un dispositivo de baja temperatura. Las grandes amplitudes de vibración de los átomos de alta temperatura chocan con átomos del material de baja temperatura e incrementan la energía cinética del material de baja temperatura. Este incremento de la energía cinética proDIC 09 | Mundo Electrónico

voca un aumento de la temperatura del material de alta temperatura y un descenso de la temperatura en el material de baja temperatura. En la convección, la transferencia de calor se produce a partir del aire que rodea el dispositivo. En la convección natural un objeto calienta el aire circundante, que se expande al calentarse, creando así un vacío que provoca a su vez que al aire frío sustituya al aire caliente. Esto genera un ﬂujo cíclico de aire que transﬁere continuamente el calor del dispositivo a la temperatura ambiente. Por otro lado, la convección forzada podría ser, por ejemplo, un ventilador que impulsara de forma intencionada aire frío a lo largo del dispositivo, forzando así el desplazamiento del aire caliente. La radiación tiene lugar cuando se emiten ondas electromagnéticas (radiación térmica) desde un objeto al entorno que lo rodea. El calor radiado no necesita un medio (el calor puede radiarse a través de espacio vacío). En las PCB, el principal método de transferencia de calor es la conducción y en menos grado la convección.

El modelo matemático para la transferencia de calor conducido viene dado por la ecuación (1):

K ´ A´(TH - TL )

(donde H es la velocidad de transferencia del calor en J/s), K es la conductividad térmica del material, A es el área (TH – TL) es la diferencia de temperatura, y d es la distancia. El calor se conduce a mayor velocidad a medida que aumenta el área de contacto entre superficies, aumenta la diferencia de temperatura o disminuye la longitud entre superficies en contacto. La transferencia de calor puede describirse de forma análoga a un circuito eléctrico identificando la potencia (fuente de calor o término H en la ecuación anterior) a una fuente de corriente, la diferencia de temperatura entre los dispositivos de alta temperatura y de baja temperatura, una caída de tensión y el término (K×A/d) como una conductividad térmica, o el inverso (d/K x A) como una resistencia térmica en °C/W). A menudo se asigna a la resistencia térmica el símbolo θ o Rθ, o simplemente RA-B cuando A y B son los dos dispositivos a partir de los cuales tiene lugar la transferencia de calor. Al reescribir la ecuación de la velocidad de transferencia del calor empleando la analogía eléctrica en resultado es:

PD = Figura 1. Modelo simpliﬁcado de la impedancia térmica.

(TH - TL ) RH -L

Esta analogía puede llevarse un paso

más allá para describir otro atributo de tipo térmico de un dispositivo, la capacidad térmica. Si la resistencia térmica se puede identificar con la resistencia eléctrica, la capacidad térmica (CT con unidades en J/°C) es análoga a la capacidad eléctrica. La analogía eléctrica de la transferencia de calor empleando la capacidad térmica en paralelo con la resistencia térmica proporciona una impedancia térmica (ZT). La figura 1 muestra el modelo RC simplificado de la transferencia de calor por conducción. La fuente de alimentación se modela como una fuente de corriente y la impedancia térmica es CT en paralelo con RT. En los circuitos eléctricos cada superficie térmica tiene una impedancia térmica. La impedancia térmica varía con el material, su geometría, tamaño y orientación. La impedancia térmica de un sistema (o circuito) tiene una impedancia térmica total respecto a la temperatura ambiente, que puede descomponerse en combinaciones en paralelo y en serie de las impedancias térmicas para cada componente del circuito. Por ejemplo, en un dispo-

“La impedancia térmica varía con el material, su geometría, tamaño y orientación” sitivo semiconductor, la impedancia térmica total entre la pastilla del semiconductor (también denominada unión) al aire circundante (llamada impedancia térmica), de la unión al ambiente (ZJ-A), sería igual a la suma de las impedancias térmicas individuales de cada material por separado en la estructura. Pensemos en un MOSFET discreto montado sobre una PCB. La impedancia térmica en estado estacionario (o resistencia térmica RJ-A) es la suma de las resistencias térmicas entre la unión y la cápsula del dispositivo (RJ-C), entre la cápsula y el disipador (RC-S) y entre el disipador y el aire (RS-A). (RJ-A = RJ-C + RC-S + RS-A). Además, puede existir una ruta paralela del calor de la unión MOSFET a través de la cápsula y hacia la PCB, y luego de la PCB a la temperatura ambiente. El valor entre unión y cápsula debería proporcionarlo normalmente el fabricante del semiconductor. Los valores de RC-S y RS-A, por otro lado, dependen principalmente de las propiedades del disipador y de la PCB. Existen mu-

Figura 2. Circuito de test para controlador de LED Flash LM3554 de National Semiconductor.

chos factores que influyen sobre las resistencias térmicas RC-A o RC-S, entre ellos el número de capas de la PCB, el número de conexiones a planos secundarios, la proximidad a otros dispositivos y la velocidad del flujo de aire. A menudo el valor de RJ-A aparece indicado en las hojas de datos del dispositivo, pero este número corresponde a unas condiciones determinadas de la placa de test y sólo serían aplicables por comparación entre dispositivos medidos bajo las mismas condiciones. La resistencia térmica (RJA) es un importante parámetro para los componentes electrónicos dado que es una medida del calor que puede disipar un dispositivo, en función de las condiciones ambientales y del trazado de la PCB. En otras palabras, RJ-A ayudará a estimar la temperatura de unión operativa, en función de las condiciones ambientales y de la disipación de potencia. DISIPACIÓN DE CALOR EN UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA A modo de ejemplo de las consideraciones de tipo térmico en la circuitería de gestión de la alimentación, pensemos en el circuito LM3554 de National Semiconductor (figura 2). Este dispositivo es un convertidor elevador (boost) inductivo diseñado para los LED flash de alta potencia utilizados en aplicaciones de teléfonos móviles. El LM3554 es un buen elemento de test porque se trata de un dispositivo pequeño (1,6×1,6×0,6 mm) y puede suministrar una potencia de salida de

hasta 6 W (corriente flash de 1,2 A en LED de 5 V). Incluso con eficiencias próximas al 85%, su capacidad para una potencia de salida relativamente grande y el minúsculo encapsulado µSMD de 16 bolas hacen que el dispositivo sea sensible a altas temperaturas de funcionamiento. Los principales efectos que tiene la disipación de calor sobre el LM3554 son el aumento de la resistencia en conducción de los interruptores del dispositivo y el cambio en los valores umbral del dispositivo. En casos extremos en los que la temperatura aumente demasiado, el dispositivo podría llegar al apagado térmico y desconectarse. Si se conoce un valor preciso de RJ-A será de ayuda para determinar la temperatura de unión del dispositivo para la potencia de trabajo prevista y asegurar que el circuito cumplirá de manera fiable y previsible los requisitos de la aplicación. En unas condiciones probables, el dispositivo tendrá una tensión de entrada de 3,6 V, una tensión de LED de 3,6 V y una corriente de LED de 1,2 A. En esta situación, el convertidor eleva la tensión de salida hasta 300mV por encima de VIN. Esto proporciona un margen de 300 mV para las dos fuentes de corriente en paralelo del dispositivo que regulan la corriente del LED. La caída total de potencia en el dispositivo será igual a la suma de la potencia en el PFET síncrono, el NFET y las dos fuentes de corrientes. Las caídas de potencia en el PFET y el NFET se producen en componentes resistivos, por lo que debe emplearse la coMundo Electrónico | DIC 09

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rriente eficaz (RMS) para obtener una estimación precisa de la potencia. Esta corriente es tan sólo la corriente eficaz en el inductor multiplicada por el porcentaje del período de conmutación en el que conducen el NFET y el PFET. Si se conoce la eficiencia del convertidor, el ciclo de trabajo viene dado por:

1- D =

VIN ´ eficiencia VOUT

En nuestro caso VOUT = VLED + 300 mV y la eﬁciencia aproximadamente es del 90%. Esto da como resultado un ciclo de trabajo del PFET (1-D) del 83% y un ciclo de trabajo del NFET del 17%. La ecuación de la corriente eﬁcaz del inductor es:

I RMS = I LDC 2 +

DI L 2 12

donde ∆IL es el pico de la corriente de pico del inductor que para nuestro caso es aproximadamente igual a 140 mA e ILDC es la corriente media del inductor dada por ILED/(1-D). La pérdida total de potencia en los interruptores es de 45 mW para el NFET (RDS_ON = 125 mΩ) y de 265 mW para el PFET (RDS_ON = 152 mΩ). Además, las fuentes de corriente registran una caída de 300 mV �× 1,2 A = 360 mW, dando así una disipación total de potencia interna de 668 mW. La RJ-A proporcionada en la hoja de datos es de 60°C/W y se toma de una tarjeta de test JEDEC de 4 capas según JESD51-7. Utilizando esta RJ-A, la temperatura de unión prevista a TA = 50°C es de 83,4°C. Esto no sería ningún problema para un dispositivo ya que se halla por debajo del umbral de apagado térmico de 150°C y por debajo de 125°C, que es la temperatura máxima de trabajo de la unión especificada en la hoja de datos del LM3554. En una situación distinta, el LM3554 puede configurarse para suministrar +5 V constantes durante el mismo pulso de flash. El margen de la fuente de corriente de 300 mV pasa a ser de 5 V – 3,6 V = 1,4 V, lo que da como resultado una disipación de potencia de la fuente de corriente de 1,68 W. Suponiendo que el dispositivo conserva una eficiencia del 90% para suministrar 5 V a 1,2 A, el ciclo de trabajo ahora es del 35,2%, haciendo así que la corriente CC del inductor sea de 1,85 A con ∆IL de 288 mA. La disipación del NFET ahora es de 151 mW y la disiDIC 09 | Mundo Electrónico

pación del PFET es de 338 mW. La disipación de potencia total interna de 2,169 W determina una temperatura estimada de la pastilla del semiconductor (a TA = 50°C) de 180°C, que está 30°C por encima del umbral de apagado térmico y 55°C por encima de la temperatura máxima de trabajo de la unión. En realidad, el dispositivo no esta-

10 mA) mientras varía la temperatura. Los valores máximos absolutos de cada patillas alcanzan un mínimo de –0,3 V pero ello se debe a la VF del diodo ESD a la temperatura máxima de unión de +150°C. Si se limita la corriente a menos de 10 mA, se puede observar la VF del diodo sin dañar el dispositivo y sin añadir autocalentamiento. Los resultados de las medi-

“El problema con las grandes corrientes de prueba es que pueden provocar el calentamiento del dispositivo” rá montado sobre una tarjeta de test 4LJEDEC, sino sobre una PCB con diferentes planos, otros componentes cercanos que están disipando potencia, y cierto número de conexiones a capas inferiores. Todas estas variables de aplicación, además de otras muchas, afectan enormemente a la RJ-A, lo que reduce a su vez la precisión de los cálculos de la temperatura de unión. MEDIDA DE LA IMPEDANCIA TÉRMICA (RJ-A Y CJ-A) Lo que se necesita es una RJ-A precisa que represente el circuito real. Existen varios métodos para medir RJ-A. Un método utiliza el umbral de apagado térmico, que se establece en +150°C. Para medir RJ-A con este método, hacemos que LM3554 trabaje con una disipación de potencia conocida (PDISS) y se aumenta lentamente la temperatura ambiente hasta que se apaga el dispositivo. El dispositivo tiene una señal interna que puede conﬁgurarse mediante el interface compatible I2C y se pone a ‘1’ cuando se activa el apagado térmico. RJ-A utilizando este método será igual a:

RJ - A =

+150°C - TA PDISS

Otro método consiste en utilizar uno de los diodos de protección ESD del dispositivo y medir su VF respecto a la temperatura. Esto es algo más complicado, pero dará un resultado más preciso dado que VF se puede caracterizar para todo el margen de temperaturas. Los diodos ESD están presentes en cada patilla de la mayoría de dispositivos semiconductores con su ánodo conectado a masa y el cátodo a la patilla respectiva. Para probar el LM3554, podemos dirigirnos a la patilla LEDI/NTC y extraer una pequeña corriente de la patilla (<

das en esta patilla ofrecen una respuesta lineal de +25°C a +125°C, con una pendiente aproximada de 1,3 mV/°C. Una vez realizado, se puede hacer que el dispositivo funcione con una disipación de potencia conocida mientras se mide la VF del diodo ESD seleccionado. Cuando VF alcanza un estado estacionario, RJ-A será igual a:

RJ - A =

VF @ TA -VF @ SS 1, 3mV / °C ´ PDISS

donde VF@TA es la VF del diodo ESD a TJ = TA, y VF@SS es la VF del diodo ESD una vez que TJ haya alcanzado una temperatura en estado estacionario mientras disipa (PDISS). Finalmente, otro método recurre el cambio de la resistencia en conducción de un MOSFET respecto a la temperatura. Este método puede aplicarse utilizando el PFET interno mientras el dispositivo funciona en modo de paso. El modo de paso en el LM3554 se produce cuando el dispositivo deja de conmutar y lleva a conducción al PFET síncrono continuamente. Esto sucede si VIN aumenta hasta 150 mV por encima de VOUT. En este punto, el convertidor elevador (boost) no necesita aumentar VOUT y el PFET pasa la VIN directamente a VOUT. Debido a que existe una ligera dependencia de la corriente para la resistencia en conducción del MOSFET, es necesario medir la resistencia del PFET para una corriente próxima a la corriente de flash buscada. El problema con las grandes corrientes de prueba es que pueden provocar el calentamiento del dispositivo. Esto puede superarse configurando la duración del flash hasta un mínimo de 32 ms y midiendo la caída de tensión en el PFET en un osciloscopio. El resultado utilizando una corriente flash de 1,2 A indica una pendiente de unos

Figura 3. Resistencia en conducción del PFET y diodo ESD del PLM3554 para LEDI/NETC durante un pulso ﬂash.

0,42 mΩ/°C entre +25°C y +125°C. Es importante destacar que el PFET se alimenta mediante la patilla VOUT, así que con VOUT = 5 V, la resistencia en conducción es menor que con VOUT = 3,9 V. Utilizando los tres métodos, con PDISS = 1,67 W, los resultados indican 45°C/W con la medida del apagado térmico, 42°C/W con la VF del diodo ESD y 48°C/W utilizando la resistencia en conducción del PFET. La figura 3 muestra la resistencia en conducción del PFET’ y la VF del diodo ESD de ILED/NTC durante un pulso de corriente de prueba de LED flash de 0,856 A. La VIN del dispositivo se ajustó a 5 V y la duración del intervalo de espera se estableció en 1024 ms. VLED fue de 3,18 V, lo que obligó al LM3554 a entrar en modo de paso. En este modo, la disipación de potencia se debe enteramente al PFET y a la fuente de corriente. En estado estacionario, la VF del diodo ESD de LEDI/NTC fue de -622 mV, correspondiente a una temperatura de unión de 95,2°C con una temperatura ambiente de 25°C. En estado estacionario, la resistencia en conducción del PFET medida de 154 mΩ correspondía a una temperatura de unión de 105°C. La figura 3 también ilustra la capacidad térmica del LM3554. La respuesta de VF y RPMOS muestra un aumento exponencial parecido a una RC de primer orden que cumple: -t é ê T ( t ) = TA + PDISS ´ RT ´ ê1 - e RT ĆT ê ê ë

ù ú ú ú ú û

La capacidad térmica es igual entonces a:

CT =

-t é T - T ( t ) ùú RT ´ LN ê1 + A ê RT ´ PDISS úû ë

Las capacidades térmicas resultantes son de 0,009 J/°C utilizando la tensión directa del diodo ESD y de 0,0044 J/°C utilizando la resistencia en conducción del PFET. La discrepancia entre las lecturas de temperatura puede atribuirse a los gradientes de temperatura a lo largo del dispositivo. El PFET que es directamente adyacente a las fuentes de corriente registrará previsiblemente un aumento más rápido de la temperatura y alcanzará una mayor temperatura que el diodo ESD de la patillas LEDI/ NTC, que se encuentra más lejos de los dispositivos de potencia en el CI. La diferencia de temperatura se debe

El modelo de impedancia térmica es más útil cuando se trabaja con dispositivos que operen con pulsos, como los controladores de LED flash, que la resistencia térmica por sí sola. Tomemos como ejemplo un pulso flash a 1,2 A con VIN de 5 V y VLED de 3,4 V. En esta situación, el dispositivo está en modo de paso con PDISS = 2,14 W. Con una RJ-A de 48°C/W y una temperatura ambiente de 50°C, el modelo de estado estacionario indica un aumento de la temperatura de la pastilla de semiconductor hasta 153°C, que está 28°C por encima de la temperatura máxima de trabajo de la unión. Si tenemos en cuenta la capacidad térmica (0,0044°C/J) e imaginamos una duración del pulso flash de 200 ms, obtenemos una mejor estimación de la temperatura de la pastilla de semiconductor de aproximadamente 113°C.

“El modelo de impedancia térmica es más útil cuando se trabaja con dispositivos que operen con pulsos, como los controladores de LED ﬂash, que la resistencia térmica por sí sola” a la resistencia y la capacidad térmica de la superﬁcie de la pastilla de semiconductor del dispositivo entre los dos puntos de medida. Asimismo, la respuesta es aproximadamente la de una constante exponencial a lo largo del tiempo. En realidad, la disipación de potencia varía ligeramente debido al PFET y al calentamiento de las fuentes de corriente. Esto provocará un ligero aumento de PDISS al incrementar la temperatura de unión.

INDUCTORES Y TEMPERATURA Las cuestiones analizadas hasta ahora en relación con el LM3554 y las altas temperaturas pueden aplicarse también al inductor de potencia del LM3554. Al igual que para un dispositivo semiconductor, como el LM3554, el exceso de calor disipado en el inductor de potencia alterará las características del dispositivo y provocará un funcionamiento inadecuado tanto en el inductor como en Mundo Electrónico | DIC 09

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Figura 4. Saturación del inductor respecto a la temperatura.

la fuente de alimentación. Los principales efectos de una excesiva temperatura en el inductor de potencia serán generalmente un aumento de la resistencia del devanado CC y una disminución del límite de la corriente de saturación. RESISTENCIA DEL INDUCTOR El cambio de la resistencia CC del inductor con la temperatura tiene lugar a causa del coeﬁciente de temperatura de resistividad de la bobina del inductor. La bobina generalmente es de cobre, que tiene un coeﬁciente de temperatura aproximado de 3,9 mΩ/°C, lo que da como resultado una ecuación para la resistencia:

l R = r ´ ´ 1 + temp _ co´( T - 25 C ) A

(

equivalente 0,39%/°C. DIC 09 | Mundo Electrónico

)

cambio

Volviendo de nuevo al LM3554, el inductor especificado con el kit de evaluación es el FDSE0312-2R2 de Toko. A TA = 25°C, la resistencia medida es de 137 mΩ. A 85°C, el cambio de la resistencia es de 50°C � 0,39% = 19,5% (o 164 mΩ). Con una corriente eficaz del inductor de 2 A y una VIN = 3,6 V, el cambio de la resistencia del inductor provocaría una disminución de la eficiencia cercana al 1,5%. SATURACIÓN DEL INDUCTOR Quizás el mayor problema para el inductor de potencia a altas temperaturas sea el descenso de la corriente de saturación. Con elevadas corrientes eficaces, la disipación de potencia interna provoca una mayor temperatura del inductor, lo que a su vez disminuye el punto de saturación del inductor. En saturación, el material del núcleo del inductor ha alcanzado el punto en el cual la densidad de flujo magnético (B(t)) deja de aumentar de forma

proporcional a la intensidad de campo magnético (H(t)). En lugar de ello en saturación, todo incremento de la intensidad de campo magnético ocasionada por el aumento de la corriente del inductor da como resultado un aumento muy pequeño de la densidad de flujo magnético. Si se observara la corriente del inductor de los reguladores conmutados en un osciloscopio, se vería un incremento de la pendiente de corriente del inductor cuando el dispositivo entra en saturación. Esto equivale a una disminución de la inductancia. La mayor corriente de rizado provocará un incremento de la corriente eficaz y un aumento de las pérdidas de conmutación en el inductor, y ambos factores incrementan las pérdidas de potencia en los inductores y reducen la eficiencia. Los inductores pueden experimentar respuestas bruscas de la saturación donde se llegue a la saturación en

un punto específico, o pueden tener respuestas graduales de saturación como en el inductor FDSE0312-2R2. No obstante, los fabricantes de inductores especificarán generalmente el punto de saturación como una caída porcentual de la inductancia a partir de su valor para una corriente y una temperatura determinadas. La figura 4 ofrece el ejemplo de un inductor que trabaja en saturación. El ejemplo emplea un inductor VLS4010-2R2 (2,2 µH) de TDK, que presenta una fuerte caída en saturación. Este efecto se muestra con el LM3554 trabajando en modo elevador (boost) con una duración mínima del pulso de flash de 32 ms. La corta anchura de pulso limita el autocalentamiento del inductor, posibilitando el control de la temperatura del inductor mediante el ajuste de la temperatura ambiente. La imagen superior izquierda de la figura 4 muestra un inductor que trabaja por debajo del punto de saturación con una forma de onda triangular de la corriente debido a (V/L�∆t). Dado que se mantiene el mismo valor de la

corriente de pico y que la temperatura alcanza los 50°C (imagen superior derecha), la pendiente de la corriente del inductor empieza a aumentar alrededor de 1,76 A, indicando así que el punto de saturación de los inductores ha disminuido con el incremento de la temperatura. Cuando la temperatura se lleva a 70°C y luego a 85°C, toda la forma de onda de la corriente se genera ﬁnalmente con el inductor saturado. ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL INDUCTOR (IMPEDANCIA TÉRMICA) Varios factores se suman al incremento de temperatura del inductor. Entre éstos se encuentran la temperatura ambiente, la impedancia térmica del inductor y la disipación de potencia interna del inductor. Al utilizar el cambio de resistencia CC del inductor con la temperatura, se puede obtener una buena estimación de la temperatura de trabajo del inductor. Esto es parecido a la utilización del diodo ESD o la resistencia en conducción del PFET

en que la bobina del inductor actúa como termómetro interno. Volviendo a nuestra ecuación para la resistencia del inductor respecto a la temperatura, una relación de la resistencia del inductor a dos temperaturas ofrece un ∆T determinado por:

R2 -1 DT = R1 temp _ co La ﬁgura 5 muestra un ejemplo de prueba en el que se ha utilizado el VLS4010ST-2R2 en el circuito del LM3554 con escalón de corriente CC de 1,65 A. La resistencia inicial a la temperatura ambiente es de 65 mΩ. Después de más de 30s, el inductor alcanza una resistencia en estado estacionario de 73 mΩ correspondiente a una temperatura de trabajo en estado estacionario de unos 56°C. Utilizando la deﬁnición de resistencia térmica (RT) el resultado es:

RT =

TF - TA

I DC 2 ´ RL@ TF

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Figura 5. Respuesta térmica del inductor.

Es preciso destacar que la disipación de potencia del inductor es una función de la resistencia de su bobina, que cambia con la temperatura. Como resultado de ello, hay que tener en cuenta el cálculo de la TF del inductor para una determinada RT. Aplicando la ecuación para RT en la ecuación de la resistencia del inductor respecto a la temperatura, y resolviendo para TF el resultado es el que se muestra a continuación:

TF =

TA - TA ´temp _ co´ k + k 1 - temp _ co´ k

donde k es .

I L 2 ´ R@ TA ´ RT La ﬁgura 5 también revela que el aumento equivalente de la temperatura del inductor a lo largo del tiempo es aproximadamente una exponencial de primer orden. Esto cumple esta ecuación:

é ê T ( t ) = TA + PDISS ´ RT ´ ê1 - e ê ê ë

-t RT ´CT

ù ú ú ú ú û

con una capacidad térmica que viene dada por:

CT =

-t

é T - T ( t ) ùú RT ´ LN ê1 + A ê RT ´ PDISS úû ë

Conocer la impedancia térmica del inductor en el ejemplo del controlador DIC 09 | Mundo Electrónico

de LED flash proporciona algunos datos interesantes. Dado que hace falta una cierta cantidad de tiempo para que el inductor alcance una temperatura estacionaria en comparación con la duración del flash (menos de 1 s), la temperatura de trabajo del inductor para la corriente máxima flash, la utilización de una resistencia térmica estacionaria probablemente sobreestime la temperatura de trabajo de los inductores. Esto podría permitir un menor tamaño de un inductor que trabaje en un dispositivo con pulsos como un controlador de LED flash en oposición a una fuente de alimentación estacionaria. CONCLUSIONES La estimación de la temperatura de la circuitería de gestión para la alimentación a menudo es necesaria cuando se manejan dispositivos de alta potencia que presenten disipaciones de potencia relativamente elevadas. La utilización de una resistencia térmica genérica puede ser una buena comparación para dispositivos similares en el mismo encapsulado, pero es muy probable que proporcione unas previsiones imprecisas de temperatura. Por tanto, a menudo es necesario recurrir a complicados cálculos térmicos o bien medir directamente la resistencia térmica. Los ejemplos destacados en este artículo han demostrado algunos de los muchos métodos disponibles para medir la temperatura de un dispositivo y obtener la resistencia térmica del dispositivo. Conocer la temperatura precisa del

dispositivo y la disipación de potencia de éste permitió calcular la resistencia térmica. Una vez conocida la resistencia térmica, se ha demostrado que la utilización de una variación de escalón en la disipación de potencia del dispositivo

“Los ejemplos destacados en este artículo han demostrado algunos de los muchos métodos disponibles para medir la temperatura de un dispositivo y obtener la resistencia térmica del dispositivo” y la monitorización de la temperatura del dispositivo posibilitó calcular la capacidad térmica del dispositivo. Esto permitió obtener una estimación más precisa de la temperatura del dispositivo debido a eventos térmicos transitorios. Los ejemplos citados en este artículo se realizaron utilizando un controlador de LED ﬂash blanco de alta corriente, pero se puede aplicar igualmente a otros dispositivos de gestión de la alimentación, que funcionen tanto con pulsos como durante largos períodos de tiempo. ●

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Sistemas de transmisión discontinua

FAC aisladas y de muy bajo consumo en vacío (y II) Se describe el funcionamiento de un controlador PFM, indicando los aspectos a tener en cuenta para reducir al máximo el consumo en reposo. Como ejemplo, se muestran los resultados obtenidos en la realización de una fuente de alimentación PFM, en la que partiendo de una entrada de 12 V, proporciona una salida aislada de 3,6 V y corriente máxima de 1 A. La corriente de entrada en vacío se ha reducido de los 5,8 mA del PWM descrito en el primer trabajo [7], a los 0,24 mA en el PFM aquí presentado, valor muy inferior a los 20-40 mA de las fuentes similares disponibles en la industria. J. M. de Diego (1) [jm.dediego@ehu.es], J. I. Gárate (1) [joseignacio.garate@ehu.es] y J. Monsalve (2) [javier_monsalve@maximhq.com] (1) UPV, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao (2) Senior MTS Applications, Maxim Integrated Products, Inc.

ste artículo completa la investigación llevada a cabo en anteriores trabajos [6][7] sobre la reducción del consumo de corriente de entrada, en fuentes de alimentación aisladas funcionando con salida en vacío, pero manteniendo la tensión de salida. Ésta es una característica requerida especialmente cuando, partiendo de una batería, se debe alimentar circuitos electrónicos y de comunicación inalámbrica con sistema de transmisión discontinua, en los que sus tiempos de activación respecto al estado en reposo sean extremadamente reducidos. El diseño que se presenta se acerca a los límites que permite la tecnología actual. Utilizando controladores PWM (modulación por ancho de pulso), se han conseguido relaciones de corriente de entrada de 70 a 1, para una salida a carga máxima/vacío. Visto de otro modo, la corriente consumida por la entrada, con la salida en vacío, representa el 1,5% de la de plena carga. Se puede observar en la ﬁgura 1 la forma de la corriente demandada en dispositivos electrónicos con cargas discontinuas [4][5]. Aunque la corriente en el estado activo es elevada, su tiempo de activación es muy pequeño respecto al tiempo en espera, pero al ser este último muy largo, su contribución al valor medio es incluso mayor. Otra conclusión que se puede obte-

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Figura 1. Relación entre los estados activo y de reposo en un dispositivo de comunicaciones con transmisión discontinua.

ner de esta característica es que el rendimiento a plena carga es menos prioritario en su optimización que el del consumo en vacío. Los microprocesadores actuales consiguen corrientes en reposo (manteniendo datos en registros, RTC, interrupciones activas a la espera, etc.) de unos pocos microamperios. La limitación de mínimo consumo suele estar en la corriente en reposo de la propia fuente de alimentación, más aún si ésta debe ser aislada.

ESTADO DE LA TECNOLOGÍA Los resultados del estudio y análisis del estado del arte de las fuentes de alimentación que aparecen la publicación anterior [7] indican que las fuentes de alimentación disponibles comercialmente, con las características requeridas, tienen un consumo de entrada con salida en vacío del orden de 20 – 40 mA. En la mayoría de los casos, los objetivos que tratan de conseguir son rendimiento elevado,

Tabla 1. Características de convertidores comerciales Fabricante

Modelo

Vi (V)

Vo (V)

Io (A)

Traco Power XP Power Recom C&D Technologies Bourns Recom

TEN 5-1210 JCA0412S03 RW-123.3S HL02R12S05

12 12 12 12

3,3 3,3 3,3 5

MX3A-12SA R-78A3.3-1

12 12

3,3 3,3

aislamiento galvánico y tamaño reducido. La tabla 1 muestra los detalles técnicos de convertidores CC/CC con similares características de tensiones y corriente de salida. Incluso los convertidores sin aislamiento tienen un alto consumo sin carga. Partiendo de esta referencia de 20 – 40 mA, el objetivo en la primera aplicación [7], ha sido el tratar de reducirlo a menos de 12 mA. El resultado han sido los 5,8 mA con una topología de controlador PWM. Un PWM (modulador de ancho de pulso), como el que se describe en [6][7], tiene siempre un oscilador activo, incluso cuando no hay carga en la salida del convertidor CC/CC. El mantener activo este oscilador genera un inevitable consumo permanente de corriente de algunos miliamperios. La alternativa para reducir este valor está en la utilización de un controlador PFM (modulación por frecuencia de pulso). Este tipo de controladores utiliza dos monoestables que sólo se activan cuando la tensión de salida del convertidor CC/CC, desciende de un determinado valor. El consumo en reposo de un controlador de PFM, al carecer de oscilador activo, es debido a las corrientes de fuga de los dispositivos electrónicos, las referencias y divisores internos. De este modo se logran valores de sólo décimas de microamperios. Circuito de control 1) El controlador PWM es el sistema más común de control de fuentes de alimentación [8]. La corriente de carga de la inductancia (el propio transformador en un ﬂyback) es controlada por medio de un pulso de amplitud variable y frecuencia constante [10]. Es posible detener la salida de pulsos del controlador hacia la puerta del conmutador en un controlador PWM cuando la carga es nula, pero el oscilador interno debe seguir en marcha y el consumo del propio controlador penaliza el consumo total de conjun-

� (%)

Ais.

1,2 1,2 0,7 0,4

Ii (Io=0) (mA) 20 38 21 40

77 83 65 60

Sí Sí Sí Sí

3,0 1,0

11 7

93 81

No No

Figura 2. Diagrama simpliﬁcado del controlador PFM MAX1771 con corriente limitada [3].

to del convertidor CC/CC en modo de espera [6][7]. 2) Para circuitos que deban funcionar en largos periodos en vacío y con bajo consumo, es más adecuada la modulación PFM. Los primeros controladores PFM integrados que aparecieron en la industria electrónica fueron propuestos por Maxim. Su principal aplicación es en equipos en los que se precisa una muy baja corriente en reposo pero en las que no se requiere aislamiento. Existen dispositivos PFM para aplicaciones no aisladas que llegan a alcanzar consumos en reposo menores de 5 µA (Ej. el MAX1722 IQ=3,6 µA máx. capaz de proporcionar 3,3 V 150 mA con 1,2 V de tensión de entrada, con rectiﬁcador síncrono incluido en un SOT23-5). El diagrama de funcionamiento del control PFM se puede encontrar en las notas de aplicación [2][3][9]. En esencia, un PFM tiene dos monoestables que ﬁjan el máximo tiempo del conmutador cerrado (TON) y el

mínimo tiempo del conmutador abierto (TOFF), además de los dos lazos de control: uno de tensión y otro del límite máximo de corriente. En la ﬁgura 2 se muestra un diagrama simpliﬁcado (sin los circuitos auxiliares) de un controlador PFM. Para hacer más sencilla la descripción de su modo de funcionamiento, sólo se indican tres señales: FB (entrada de la referencia de la tensión de salida), CS (entrada de la referencia de la corriente por el dispositivo conmutador, bien sea MOSFET, transistor bipolar, etc. y EXT (salida del pulso al dispositivo conmutador). Funcionamiento del controlador PFM El funcionamiento del controlador PFM se describe a continuación. Situación inicial: - /Q="1" Ambos monoestables están en reposo (salida negada a nivel alto), - VCS < 0,1V Entrada del sensor de corriente por debajo del nivel de comparación. Mundo Electrónico | DIC 09

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Figura 3. Formas de onda con carga máxima al 50% y en vacío de un controlador PFM.

Figura 4. Diagrama funcional completo del controlador PFM MAX1771. DIC 09 | Mundo Electrónico

- VFB > 1,5V Entrada de muestra de tensión por encima del nivel de comparación - Q="0" salida de pulsos EXT de activación del conmutador a nivel bajo. Cuando la tensión VFB desciende de 1,5 V, la salida del comparador de error de tensión pasa a nivel alto. Como la salida del monoestable que fija el tiempo mínimo tiempo de apagado está a nivel alto, la salida de la puerta AND pasa a nivel alto activando la báscula RS por la señal S (Set). Esto hace que la salida Q (y EXT) pase a nivel alto. El flanco de subida de esta señal S provoca el disparo del monoestable que establece el máximo tiempo de encendido. Mientras no se alcance el límite de corriente, detectado por el amplificador sensor de corriente, ambas entradas de la puerta OR estarán a nivel bajo y por tanto su salida, aplicada a la entrada R (Reset) de la báscula RS estará a nivel bajo. Cuando transcurra el lapso establecido por el monoestable que fija el

Figura 5. Esquema completo del convertidor "ﬂyback" PFM aislado.

Figura 6. Vista superior del prototipo de la fuente PFM.

máximo tiempo de encendido, su salida pasa a nivel alto, lo que provoca en reinicio (Reset) de la báscula RS, con lo que su salida Q pasa a nivel bajo. Esta señal, al pasar por el inversor, produce un ﬂanco de subida en la señal de entrada al monoestable que determina el mínimo tiempo de apagado, lo que produce su activación, con lo que su salida pasa a nivel bajo y al estar aplicada a la entrada del la puerta AND, hace que se ignore el estado de la salida del comparador de error de tensión durante en tiempo que permanece activo el monoestable. Cuando ese tiempo mínimo de apagado ﬁnaliza, pueden darse dos situaciones: - Que la tensión de salida siga siendo baja, con lo que la tensión de la entrada FB al ser menor que 1,5 V, mantiene a nivel alto la salida del comparador y por tanto la entrada a la puerta AND.

En esta situación, en el momento de ﬁnalizar el tiempo mínimo de activación, la salida de la puerta AND pasa a nivel alto, repitiéndose el ciclo hasta que el nivel de tensión de la entrada FB sea superior a 1,5 V. - Que la tensión de salida haya aumentado de modo que la tensión en la entrada FB sea mayor que 1,5 V. Al tener un nivel bajo la salida del comparador, la salida de la puerta AND se mantiene a nivel bajo, manteniendo la báscula RS desactivada (Q="0"). En este caso el circuito queda en reposo con la salida EXT a nivel bajo. La entrada CS del sensor del límite de corriente puede hacer que, en el caso de alcanzarse, se produzca un apagado instantáneo del conmutador (salida EXT a nivel bajo) antes de que se alcance el tiempo máximo de activación ﬁjado por el monoestable que determina el máximo tiempo de encendido.

La figura 3 representa las formas de onda para tres situaciones de carga. Las señales representadas son: - La corriente de salida IOUT. - Los pulsos de salida del controlador PFM, VEXT, (hacia la puerta del MOSFET). - La corriente por el primario del transformador (IP). - La corriente por el secundario del transformador (IS). Se pueden observar las situaciones siguientes: - A plena carga, ejecutando todos los ciclos, el funcionamiento es similar a un "flyback" PWM en modo continuo con TOFF fijo y TON variable, pero menor de un determinado valor. - En el límite del modo de funcionamiento continuo-discontinuo. En este modo, la energía almacenada en el transformador se descarga completamente por el secundario y a continuación vuelve a cargarse por el priMundo Electrónico | DIC 09

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Tabla 2. Consumo de corriente por la entrada con salida en vacío para diferentes tensiones de entrada VIN (V) 10,0 12,0 16,0

IIN (mA) 0,244 0,239 0,227

VOUT (V) 3,615 3,615 3,615

IOUT (A) 0 0 0

Tabla 3. Rendimiento a tensión nominal para diferentes corrientes de salida VIN (V) 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0

IIN (mA) 0,24 61 83 121 160 200 240 281 323 367 411

VOUT (V) 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615 3,615

mario, sin llegar a actuar el límite de corriente (en el MAX1771 en el punto de carga máxima/descarga completa del transformador, ciclo de 16/18,3 (87%, frecuencia de 54,6 kHz). - Funcionando en vacío, sólo se dispara un ciclo cada mucho tiempo, para recargar las capacidades de salida y compensar las corrientes de reposo del secundario (internas de la propia fuente). La tensión de salida se incrementa ligeramente, pero no plantea problemas operativos. La señal aparece como un ligero rizado de tensión, con un largo período (véase VOUT en la figura 8) En la figura 4 se muestra el diagrama completo del controlador PFM, MAX1771. Además de las funcionalidades antes descritas, aparecen: - La señal de desactivación SHDN. - La salida de la referencia REF. - El circuito de arranque con tensiones de entrada menores de 2,5 V en V+ [3]. Una particularidad de los controladores en modo PFM es que funcionan a frecuencia variable con la carga, por lo que desde el punto de vista de EMC, las componentes frecuenciales se distribuyen a lo largo del espectro de forma no determinista, en lugar de localizarse en una frecuencia fija. Adicionalmente a las consideraciones realizadas en el artículo previo [7] sobre la optimización del circuito del lado secundario del convertidor, se presentan algunas alternativas, no mencionadas anteriormente, que pueden proporcionar aún mejores resultados en cuanto a la reducción DIC 09 | Mundo Electrónico

IOUT (A) 0 0,14 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Rendimiento (%) 0 69,14 72,59 74,69 75,31 75,31 75,31 75,04 74,61 73,88 73,30

unión PN en lugar de Schottky, hay que considerar que el rendimiento va a ser reducido al tratarse de una tensión de salida baja. Una alternativa es utilizar rectiﬁcación síncrona con un MOSFET. La ventaja es doble: mejora del rendimiento y reducción de la corriente de fugas, pero debe considerarse el aumento de complejidad del circuito y el consumo adicional de los circuitos de control.

Comparador de error de tensión A pesar de que con el optoacoplador de baja corriente se puede trabajar con valores de 40 µA, hay que tener en cuenta la corriente mínima que precisa el comparador de error, que en el caso del TLV431 la IKmin es de 100 µA.

Condensadores de filtrado Respecto al los condensadores de filtrado de salida (C45 y C47 de la figura 5), si la frecuencia de conmutación no es muy elevada, precisa que su valor sea elevado, esto sólo puede conseguirse con electrolíticos de tantalio, OSCON, aluminio orgánico, etc. Para una aplicación en la que corrientes de microamperios pueden ser significativas, debe prestarse atención a su corriente de fugas. Utilizando una frecuencia de trabajo mayor, se pueden emplear condensadores cerámicos, cuya corriente de fugas es despreciable (Rfugas>100 GΩ en cerámicos frente a < 1MΩ en los de tantalio). En la actualidad se encuentran disponibles, en tensiones reducidas, valores elevados de capacidad en cerámicos que se solapan con las alternativas en electrolíticos (por ejemplo Kemet cerámico C1210C107K9PAC 100 µF 6,3 V X5R 1210 ESR 2,9 mΩ@500 kHz). Para el condensador del filtro de entrada (C41 y C49 de la figura 5), al trabajar con tensiones mayores, la alternativa de utilizar cerámicos está más comprometida. Al aumentar la tensión las capacidades disponibles son pequeñas. (Ej. las máximas capacidades en 1206 están en X7R 10 µF 25 V o en X5R 4,7 µF 50 V). Además hay que tener en cuenta que los condensadores cerámicos con encapsulados grandes, tienen más acusado el problema del "cracking" (rotura por tensiones mecánicas debidas al diferente coeficiente de dilatación entre la cerámica y el circuito impreso o por esfuerzo mecánico de flexión del circuito impreso).

Rectificador de salida En el caso de utilizar un diodo Schottky como rectificador en el lado secundario (D58 en la figura 5) ha de tenerse en cuenta que la corriente de fugas puede ser elevada (Ej. MBRS230 IR=200 µA@10 V y 25°C) frente a un diodo normal (Ej. MURA205 IR=2 µA@90 V y 25°C). Aunque en principio pueda parecer más interesante la utilización de un rectificador con

OBJETIVO La aplicación tiene como objetivo el tratar de reducir el valor del consumo sin carga a menos de 1 mA, con un controlador PFM de topología no estándar. Las cuestiones a tener en consideración para cumplir los requisitos son: aislamiento, control del régimen regulador de la conmutación y características de los bucles de control.

del consumo de corriente en vacío. Aislamiento Al igual que existen LED de baja corriente (2 mA frente a los 20 mA normales), también se suministran optoacopladores que permiten trabajar con muy bajas corrientes sin detrimento signiﬁcativo de sus prestaciones. Un ejemplo de ello lo constituye el HCPL-4701/070A de Avago. La corriente mínima de funcionamiento IKmin es de 40 µA, manteniendo un CTR de 800% (Darlington), con retardos de propagación de 500 µs. Características más acordes con los objetivos planteados que los que proporciona un optoaislador clásico como el CNY17 con 63%@10 mA y 22%@1 mA) y de 2 µs@20 mA a 6,6 µs@5 mA [1].

Realización del prototipo La topología elegida para el diseño del prototipo de la fuente de alimentación es un "flyback" con aislamiento, en el que partiendo de una batería 12 V (10 – 16 V), proporciona una salida aislada de 3,6 V 1 A. En la figura 5 se muestra el esquema completo del convertidor CC/CC. Para el controlador PFM se ha seleccionado el MAX1771 de Maxim. Se trata de un BiCMOS; la corriente en reposo máxima IQ =110 µA, Vin = 2 – 16,5 V y salida para FET externo, con entrada de sensor de corriente VCS = 0,1 V. Otras alternativas para menores tensiones de entrada y corrientes de salida pueden encontrarse con el MAX1605 Vin = 2,4 – 5,5 V, IQ = 18 µA, SOT23-6. En la figura 6 se muestra un detalle de los prototipos desarrollados. Las dimensiones se encuentran por debajo de 50 x 30 mm y las características técnicas que proporciona son las siguientes: ■ Potencia = 3,6 W ■ Rango de tensión de entrada = 10 a 16 V

Figura 7. Graﬁca del rendimiento del prototipo para diferentes corrientes de carga, con tensión nominal de entrada (12 V).

■ Tensión de entrada nominal = 12 V ■ Tensión de salida = 3,6 V ■ Corriente máxima de salida 1 A ■ Corriente en de entrada en vacío 240 µA ■ Aislamiento entre entrada y salida ■ Topología "ﬂyback" ■ Control por modulación PFM

■ Frecuencia máxima de trabajo 300 kHz Resultados y medidas En la tabla 2 se presentan las medidas de las variaciones en el consumo de entrada, con salida en vacío, para tres tensiones de entrada (mí-

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REFERENCIAS

Figura 8. Tensión de salida y en la puerta del MOSFET en vacío (eje X 10 ms/div, CH1 1 V/div y CH2 5 V/div).

Figura 9. Tensión de salida y en la puerta del MOSFET con carga de 100 mA (eje X 20 µs/div., CH1 1 V/div y CH2 5 V/div).

Figura 10. Tensión de salida y en la puerta del MOSFET con carga de 500 mA (eje X 20 µs/div., CH1 V/div y CH2 5 V/div).

Figura 11. Tensión de salida y en la puerta del MOSFET con carga de 1 A (eje X 20 µs/div, CH1 1 V/div y CH2 5 V/div). DIC 09 | Mundo Electrónico

[1] Application Note 664, Feedback Isolation Augments Power-Supply Safety and Performance, Maxim Integrated Products, Jan 22, 2001. Available: www.maxim-ic.com/an664, EDN issue of June 19, 1997. [2] "MAX1649/MAX1651, 5V/3.3V or Adjustable, High-Efﬁciency, Low-Dropout, Setp-Down DC-DC Controllers", Maxim Integrated Products, Datasheet 10-0305, Rev 2; 9/95. [3] "MAX1771, 12V or Adjustable, HighEfﬁciency,Low IQ, Step-Up DC-DC Controller" ", 2002 Maxim Integrated Products, Datasheet 19-0263; Rev 2; 3/02. [4] J. Ig. Gárate, J. M. de Diego, "Consequences of Discontinuous Current Consumption on Battery Powered Wireless Terminals", [ISIE06, Paris, France, Oct. 2006]. [5] J. M. de Diego, J. Ig. Gárate, "Improvements of Power Supply Systems in Machine to Machine Modules and Fixed Cellular Terminals with Discontinuous Current Consumption" ", [Di-

nima, nominal y máxima) y la tabla 3 muestra los resultados de las medidas realizadas en el prototipo. Las mediciones incluyen las pérdidas en los elementos de protección y filtrado (fusible rearmable, filtro de entrada de modo común, etc.). Si esta fuente de alimentación se compara con el diseño en el trabajo anterior [6][7], se puede observar que de los 5,78 mA de consumo en vacío con PWM se ha pasado a los 0,24 mA con PFM. La gráfica de la figura 7 muestra la variación del rendimiento para diferentes corrientes de carga, a la tensión nominal de entrada. El rendimiento en vacío, al realizarse la medida en ausencia de carga, es representado como cero. Las figuras 8, 9, 10 y 11, muestran las pantallas de captura con osciloscopio de tensión de salida de la fuente de alimentación y la señal de tensión aplicada a la puerta del MOSFET con las siguientes corrientes de salida: en vacío, sin carga (figura 8); con 100 mA (figura 9); con 500 mA (figura 10) y con 1 A (figura 11). En ellas puede observarse el funcionamiento del sistema de control PFM con la siguiente asignación de señales: CH2 señal de puerta con 5 V/división; CH1 tensión de salida con 1 V/división; eje X en 20 µs/división (10 ms en la 8).

gests 9th ICIT06, Mumbai, India, Dec. 2006]. [6] J. Ig. Gárate, J. M. de Diego, J. Monsalve, "Ultra Low Input Current Consumption Power Supplies", [ISIE07, Vigo, Spain, Jun. 2006]. [7] J. Ig. Gárate, J. M. de Diego, J. Monsalve, "Sistemas de transmisión discontinua. FAC aisladas y de muy bajo consumo en vacío", Mundo Electrónico, pág. 38-45, Octubre 2007. [8] 10. B. Sahu and G.A. Rincora, "A Low Voltage, Non-Inverting, Dynamic, Synchronous Buck-Boost Converter for Portable Applications," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 2, pp. 443-452, Feb. 2004. [9] 1. G.A. Rincora and P.E. Allen, "A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 1, pp. 36 - 44, Jan. 1998. [10] Data acquisition linear devices databook. Vol. 3. National Semiconductor Corporation, 1989.

CONCLUSIONES Con los 240 µA del prototipo se ha conseguido el objetivo de diseñar una fuente de alimentación aislada con un consumo de corriente sin carga inferior a 1 mA. El estudio realizado muestra que el mejor convertidor CC/CC aislado que está disponible tiene consumo de corriente en vacío de 20 mA. En el trabajo previo [7] se mostró cómo es posible reducir este valor a 5 mA con un esquema de control PWM, partiendo de un objetivo de 12 mA. El prototipo muestra un diseño en el que todavía deja abiertas las posibilidades para reducir aún más los valores alcanzados y que a través de su descripción, puede dar orientaciones para adaptarse a otros requerimientos diferentes de tensiones de entrada, salida y corrientes de carga. Por la contribución al consumo total en vacío, la última palabra la tienen los fabricantes de circuitos integrados, optimizando aún más el controlador PFM, el comparador de error y el optoacoplador. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen Maxim Integrated Products, Kemet Electronics Corporation su apoyo técnico y a Trelec BTC SLL la fabricación de los prototipos. ●

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Telecomunicaciones

¿Sin cables, no hay mercado?

Opciones inalámbricas para aplicaciones industriales Los microcontroladores más pequeños y económicos han abierto innumerables mercados y aplicaciones para los controles electrónicos, que cubren áreas como la domótica, los equipos industriales, los juguetes y los juegos. Al mismo tiempo ha llegado la revolución inalámbrica, aumentando aún más las expectativas de los usuarios. Los controladores pequeños se han ido convirtiendo en inalámbricos en la medida de lo posible para evitar el riesgo de fracasar en el mercado. Alistair Winning Farnell

os ingenieros necesitan ser capaces de entender cómo convertir una aplicación en inalámbrica. La evaluación inicial sobre el tipo de producto, las funciones y el rendimiento requeridos pueden indicarle al diseñador cuál de las diferentes tecnologías de radio debe elegir y ayudarle a identificar los protocolos y el software adecuados. Los aspectos que se deben tener en consideración incluyen el rango de comunicación requerido, la necesidad de comunicaciones unidireccionales o bidireccionales, la velocidad de transmisión de datos necesaria en cada dirección y si la aplicación requiere comunicaciones de punto a punto simples o capacidad de redes más complejas. Sin embargo, la creación de una solución inalámbrica requiere una habilidad de diseño de RF considerable así como conocimientos sobre el diseño de software y firmware. Los proveedores de componentes ofrecen varios chipsets (o circuitos integrados auxiliares) y o chips incorporados al sistema para solucionar muchos de esos desafíos. Éstos pueden basarse en estándares industriales como la plataforma de radio IEEE802.15.4 que se combina fácilmente con software como ZigBee, o en otros protocolos. Por otro lado, un chipset de marca registrada puede ofrecer ciertas ventajas en relación con el rendimiento y el coste en algunos casos. Los ingenieros pueden simplificar aún más el desafío que presenta el diseño al elegir entre una serie de módulos

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que ofrecen soluciones inalámbricas conectables. Por razones comerciales, estos módulos suelen diseñarse usando tecnología inalámbrica estándar de la industria. OPCIONES ESTÁNDAR DE LA INDUSTRIA La plataforma de radio IEEE 802.15.4 define las señales de radio y las capas físicas (PHY) y de control de acceso a medios (MAC) en las que los diseñadores pueden basar una amplia variedad de protocolos y aplicaciones (figura 1). Algunos distribuidores de CI ofrecen soluciones inalámbricas que incluyen una emisión de radio conforme a IEEE 802.15.4 como un CI discreto dentro de un chipset o integrado en un solo chip incorporado al sistema. Entre sus beneficios más importantes, IEEE802.15.4 se concibe como una radio de baja potencia que ofrece simplicidad en aspectos estructurales y al mismo tiempo soporta características elaboradas como cifrado AES128, detección de energía e indicadores de calidad. Usa modulación DSSS o de espectro ensanchado por secuencia directa para difundir la energía de la señal de radio y alcanzar niveles altos de inmunidad ante interferencias y funciona en los radios de banda sin licencia 2,4 GHz u 868 MHz. La absorción de la señal en el aire significa que la frecuencia más baja tiende a resultar en un rango más amplio. El IEEE802.15.4 se usa principalmente para aplicaciones de red inalámbricas, especialmente en redes de sensores. Todos los dispositivos tienen direcciones de 64 bit, lo que les permite manejar un número prácticamente ilimitado de dispositivos en red al mismo tiempo. La velocidad de transmisión de datos máxima es 250 kbit/s. Se pueden usar varios protocolos de red además del estándar IEEE802.15.4. Por ejemplo, ZigBee es un estándar de red inalámbrica ampliamente conocido que define las capas de soporte de aplicaciones y redes, diseñado para funcionar por encima de las capas MAC y PHY de IEEE802.15.4. Para aplicaciones que requieren comunicaciones sencillas de punto a punto o de punto a multipunto, varios proveedores ofrecen software menos complejo como el Simple MAC o SMAC de Freescale o el TIMAC de TI. Se pueden usar otros protocolos con IEEE802.15.4 para diseñar controles simples, por ejemplo, pueden reemplazar los controles remotos de infrarrojos que utilizan las aplicaciones

Figura 1. IEEE802.15.4 deﬁne el enlace de radio, la capa 1 y la capa 2 en el modelo de comunicación estándar OSI.

electrónicas de consumo. Generalmente, estos son ligeros y caben en una unidad de microcontrolador básica conectada al chip transceptor IEEE802.15.4, lo que permite un desarrollo rápido, sencillo y económico. Algunos suministradores de CI ofrecen tecnología ZigBee que se puede combinar con un CI microcontrolador y transceptor RF para construir

“Los módulos inalámbricos son típicamente unidades compactas que se comunican con el equipo principal mediante un interface de comando”

un nodo inalámbrico conforme a ZigBee. Freescale, por ejemplo, tiene algunas plataformas conformes a IEEE 802.15.4 incluyendo el MC1321X que combina un transceptor de 2,4 GHz con una unidad de microprocesador de 8 bits en un sistema integrado, creando una solución integrada capaz de albergar un protocolo ZigBee. De manera alternativa, el uso de un CI transceptor discreto da como resultado una solución de dos chips pero ofrece la ﬂexibilidad extra para elegir la unidad de microcontrolador óptima. La familia ATmega de Atmel combina el AT86RF230 de radio de 2,4GHz con una selección de unidades de microcontrolador ATmega AVR que van desde ATmega644 hasta ATmega2560. El diseño del hardware se completa al incorporar la antena, el cristal y los condensadores de bypass al CI de radio. Además de ofrecer una selección de Mundo Electrónico | DIC 09

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Figura 2. El MC13224 de Freescale es una plataforma integrada de radio IEEE802.15.4. El IEEE802.15.4 se usa principalmente para aplicaciones de red inalámbricas, especialmente en redes de sensores.

transceptores discretos adecuada, como la arquitectura de unidad de microprocesador MSP430, TI también ofrece el sistema en un chip completo CC2430 que incluye un transceptor con una unidad de microprocesador 8051 que alberga el ZigBee de TI llamado Z-Stack. Entre estas dos conﬁguraciones, el procesador ZigBee CC2480 es una etapa de entrada ZigBee de 2,4 GHz que ofrece a los diseñadores la libertad de optimizar su elección de unidad de microcontrolador pero les ahorra el aprendizaje de las complejidades de un ZigBee completo. El procesador ZigBee se comunica con el procesador principal mediante un interface de comando SPI o UART y el procesador principal conversa con el procesador ZigBee mediante un protocolo fácil de usar. Al usar uno de estos chipsets o systems-in-package, los ingenieros pueden crear soluciones que de otra manera requerirían conocimientos especializados de diseño RF. Por otro lado, el diseño y la creación de una placa para un subsistema de radio pueden requerir de conocimientos especializados. Además se debe integrar el protocolo con el sistema. Ahora están disponibles varios módulos de integradores independientes que simpliﬁcan aún más el diseño de los sistemas de radio integrados. DIC 09 | Mundo Electrónico

Los módulos inalámbricos son típicamente unidades compactas que se comunican con el equipo principal mediante un interface de comando. Además de la integración del software y la distribución física, también se suelen solucionar cuestiones como la selección de las antenas. Un ejemplo de esto es el AMBZ200 de Amber Wireless. Éste es un módulo inalámbrico ZigBee de corto alcance que ofrece API estándar de la industria, permitiendo la conﬁguración del módulo mediante el puerto SPI o el UART provisto. El ZigBee integra-

pruebas y se otorgue una aprobación independiente. Por otro lado, los diseñadores de aplicaciones no necesitan considerar el impacto del coste de la licencia de ZigBee en el precio del producto ﬁnal. TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS DE MARCA REGISTRADA Las soluciones de radio de marca registrada pueden ofrecer una alternativa a IEEE802.15.4 y hasta llegar a imponer requisitos de potencia y memoria más bajos para el sistema. Debido a su importancia en los sistemas

“La mayoría de los sistemas de radio de marca registrada que se encuentran actualmente en el mercado usan esquemas de modulación FSK o ASK, más simples que el DSSS empleado en IEEE802.15.4” do les permite a los diseñadores establecer una red usando comandos simples. Otra ventaja del uso de módulos es la preexistencia de la aprobación necesaria, como en el caso de la directiva R&TTE 1999/5/EC. Esto puede suponer un ahorro en los gastos de presentación del diseño para que se realicen

integrados, los ingenieros deben considerar seriamente las soluciones de radio de marca registrada. Los fabricantes tienden a soportar estas tecnologías con software y/o ﬁrmware sin derechos de autor, lo que puede tener un efecto importante en el coste total del producto ﬁnal. La mayoría de los sistemas de radio

de marca registrada que se encuentran actualmente en el mercado usan esquemas de modulación FSK o ASK que son más simples que el DSSS que se emplea en IEEE802.15.4. Un ejemplo es el transceptor RadioWire MICRF505/6 de Micrel que es un dispositivo de salto de frecuencia FSK con potencia de transmisión programable y el soporte de MicrelNet, el protocolo de red gratuito de Micrel. Aunque MicrelNet no tiene la funcionalidad de autorreparación de red de ZigBee, puede soportar redes estrella de nivel múltiple de hasta 65.000 nodos. Además, solamente ocupa 8 KB de memoria en comparación con los 64 KB de ZigBee. Para aplicaciones simples de comando y control (actuación), se pueden considerar soluciones más simples y económicas como la tecnología QwikRa-

290-350 MHz, 390-450 MHz y 850930 MHz. Los transmisores y receptores QwikRadio también funcionan en las bandas sub-1GHz y ofrecen la conveniencia de un transmisor de entrada de datos y salida RF y un receptor de entrada RF y salida de datos para una integración directa con el sistema principal. Soportan velocidades de transmisión de datos de hasta 115 kbit/s. Ambas familias de productos presentan una plataforma económica para los diseñadores que crean equipos como controladores de puerta, sensores inalámbricos, lectores de medición o telemetría de baja potencia. En un punto intermedio entre la complejidad de un protocolo de red como ZigBee y una solución de actuación simple se encuentran varias tecnologías que pretenden eliminar los cables en los dispositivos de baja veloci-

positivo de audio de voz o un control remoto de radio de hasta 500 kbit/s. La última generación de soluciones WirelessUSB de Cypress Semiconductor, por otro lado, se centra en aplicaciones con emisiones que utiliza modulación DSSS para lograr inmunidad ante altas interferencias en la banda 2,4 GHz mientras que se comunica a una velocidad de hasta 250 kbit/s. Al usar la modulación GFSK, se pueden soportar velocidades de datos de hasta 1 Mbit/s.

dio de Micrel o las unidades de microcontrolador rfPIC de Microchip con transmisor ASK/FSK integrado. Los transmisores de Microchip, integrados en varias unidades de microcontrolador rfPIC de diferentes densidades de memoria y potencia de procesamiento, transmiten hasta 40 kbit/s, tienen potencia ajustable y están disponibles en tres versiones que funcionan en bandas sin licencia sub-1GHz:

dad de datos que en la actualidad se comunican por conexiones USB con cable. Los dispositivos como el sistema en chip CC2511 de TI combinan un controlador USB de velocidad total con una CPU 8051 y radio FSK de 2,4 GHz para activar dispositivos de seguridad (dongles) USB capaces de comunicarse de manera inalámbrica con el dispositivo, como en el caso de un controlador para juegos, un dis-

de componentes han solucionado algunos de los desafíos más difíciles mediante el uso de chipsets y software de soporte. Como una ayuda para los diseñadores, los diseñadores independientes han tomado algunos de estos chipsets e implementado módulos inalámbricos que solucionan los demás desafíos de diseño y ofrecen una solución que implica un riesgo aún menor. ●

CONCLUSIÓN Los indicadores del mercado sugieren un futuro lleno de productos inalámbricos y los diseñadores están obligados a proceder según esta tendencia. Sin embargo, no todo el mundo tiene conocimientos de diseño RF. Afortunadamente, varios fabricantes

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optrónica 40

ACTUALIDAD

Circuitos fotónicos en silicio

Al rescate de la Ley de Moore

Cuando los niveles de integración en circuitos electrónicos comienzan a llegar a un límite fundamental que establece la Física, el empleo de circuitos fotónicos se contempla como alternativa.

E. Rey

■ Según recoge una entrevista a Mario Paniccia, Director del Photonics Technology Laboratory de Intel, realizada por B. Hitz y publicada en Optics & Laser Europe, edición de septiembre/octubre pasado, se están dando los primeros pasos tendentes a incrementar las prestaciones de los CI utilizando el tradicional sustrato de silicio, en lugar de las estructuras heterogéneas de diversos compuestos, especialmente de los grupos II-IV y III-V de la tabla de Mendeleiev, empleadas hasta ahora de forma exclusiva para aplicaciones fotónicas. Los párrafos siguientes tratan de resumir dicha entrevista, al tiempo que ilustrar algunas de las tendencias que surgen en el horizonte tecnológico de la mano del principal fabricante de semiconductores por facturación. LIMITACIONES A LA EMISIÓN DE LUZ Uno de los problemas que hasta fechas recientes impedían utilizar el silicio para aplicaciones fotónicas radica en que este material presenta una estructura electrónica de banda prohibida indirecta que limita de forma extraordinaria la emisión de luz. Para solventar esta carencia y abrir la vía al DIC 09 | Mundo Electrónico

desarrollo de la Fotónica en silicio, Paniccia y colaboradores lograron identificar tres componentes: el desarrollo de un láser en silicio que emitiese a determinada longitud de onda, la cual podría modularse en forma de 0 y 1 con un modulador del mismo material, y en el otro extremo del enlace, situar un detector óptico basado en silicio. Tras fallidos intentos de dopar la red cristalina del silicio con neodimio, Paniccia y colegas se apoyaron en un trabajo desarrollado en la universidad de UCLA que permitía fabricar un láser de fibra sin necesidad de dopantes gracias al descubrimiento de la dispersión de fotones en los materiales como resultado de incidir un haz de luz de forma tal que parte de la energía fotónica se absorbe por la red cristalina y el fotón dispersado se desplaza en frecuencia. Avances posteriores mostraron que, si el efecto es lo suficientemente intenso, el haz emitido contiene las características de coherencia espacial y temporal, así como la monocromaticidad de una emisión estimulada. Este desarrollo permitió a los ingenieros de Intel realizar el primer láser de fibra de onda continua, que adolecía del problema debido a su incapacidad de requerir una entrada óptica. Para solventarlo, construyeron un láser híbrido formado por una unión de fosfuro de indio sobre una guía óptica de silicio, de forma tal que los fotones generados en la unión se acoplaban a la guía. Una red grabada sobre la guía óptica establecía la longitud de onda precisa emitida por el láser. Para desarrollar el modulador hubieron de solventar el problema de que el silicio apenas muestra efecto elec-

troóptico, para lo cual se recurrió a fabricar una unión de silicio sobre los brazos de un interferómetro Mach-Zehnder. Al aplicar una tensión a la unión se varía el índice de refracción del silicio a causa de la creación de electrones y huecos en la unión. Respecto a la intensidad de luz transmitida en el interferómetro, ésta se modulaba por el cambio de fase entre ambos brazos del interferómetro. Meses después lograron realizar una transmisión a 40 Gbps, similar a la de los moduladores fabricados con sustratos convencionales. GERMANIO SOBRE SILICIO Para completar el sistema y realizar el detector, Paniccia y colegas hicieron crecer una fina capa de germanio sobre el silicio de forma tal que cuando los fotones se desplazan a lo largo del guiaondas de silicio, parte de la señal se acopla de forma evanescente en el germanio, lo cual origina la creación de pares electrón-hueco, y por tanto de corriente en dicho material. Para obtener una señal eléctrica más potente, este dispositivo fue mejorado posteriormente gracias a la construcción de un fotodetector de avalancha. En su visión sobre el aspecto de un futuro dispositivo fotónico en silicio capaz de realizar transmisiones con anchos de banda de terabits por segundo, Paniccia señala una configuración híbrida formada por 25 láseres que emiten a longitudes de onda ligeramente distintas y en el que cada uno estaría modulado a 40 Gbps. Tras ellos, un multiplexor combinaría las 25 señales del láser en una fibra óptica y en el otro extremo se ubicarían 25 detectores encargados de convertir la señal óptica en electrónica.

Soluciones en línea de alta eﬁciencia

NXP propone herramientas para aplicaciones de iluminación LED ■ NXP Semiconductor ha presentado una herramienta de diseño en línea para aplicaciones de los productos SSL que permite a los ingenieros comprobar el comportamiento de las aplicaciones de iluminación LED basadas en cuatro productos de este mismo fabricante. Esta herramienta es uno de las tres recientes mejoras que ha desarrollado NXP destinadas a las soluciones de aplicaciones LED. La segunda mejora ha sido el SSL2102, un controlador LED atenuable integrado para módulos y lámparas de actualización de sistema. El tercer desarrollo es la mejora del tiempo de vida del controlador LED SSL2101. En este mismo sentido el modelo SSL2102 ofrece una atenuación profunda (hasta el 1% del total de la intensidad de luz) a la vez que mantiene la compatibilidad con todo tipo de atenuadores.

Además este último modelo se ajusta a las necesidades de alta eficiencia y elevado factor de potencia propias de las lámparas de actualización de sistema de 8 a 15 W. El dispositivo completo incluye tanto el controlador como el conmutador lo que le permite ofrecer las mismas funciones que el SSL2101 pero con más energía. La herramienta en línea, por su parte, permite a los ingenieros una elección rápida del circuito que necesitan, así como los diseños de comprobación para LED de entre 2 y 25 W de salida. Se pueden crear dos tipos de aplicaciones: convertidores aislados y convertidores reductores no aislados. La herramienta genera el esquemático, los componentes necesarios y los parámetros de transformador, calcula la eficiencia del diseño y presenta una imagen de las pérdidas de eficiencia.

Avago presenta optoacopladores CMOS para automoción ■ Avago Technologies ha presentado un par de optoacopladores CMOS digitales diseñados especíﬁcamente para el mercado de automoción de alta velocidad y bajo consumo que se requiere en el emergente mercado de los vehículos eléctricos híbridos. El modelo ACPL-M71T es un optoacoplador de canal único de alta velocidad y 15 Mbps, mientras que el ACPL-M72T es un optoacoplador de controlador LED de bajo consumo, en ambos casos pertenecientes a la familia R2Coupler. Ambos dispositivos se caracterizan

por su elevada temperatura y bajo consumo, se suministran disponibles en encapsulados SOIC-5 y se han diseñado especíﬁcamente para el bus de red de área CANBus, así como para aplicaciones de interface de microcontrolador. Además de la compatibilidad CMOS de 5 V y el rechazo en modo común de 40 kV/µs a 1000 V, ofrece un margen de temperaturas de entre -40 a +125ºC, así como un reducido retardo de propagación de 26 ns con una corriente de 10 mA para el primer modelo y de 60 ns a 4 mA para el segundo.

Blu-ray añadirá contenidos 3D ■ La asociación Blu-ray Disc ha conﬁrmado sus planes para incorporar contenidos de TV en 3D dentro de su estándar de disco óptico. Sin embargo, el grupo no ha desvelado la tecnología que va a utilizar, ni cómo manejará las señales para lograr su propósito. Este anuncio ha coincidido en el tiempo con la propuesta de Sony de impulsar las tecnologías 3D.

Con independencia de la tecnología empleada, probablemente por capacidad Blu-ray incluye los principales criterios tecnológicos para poder acercarse a esta tecnología como es la resolución 1080 puntos y capacidad para incluir en el mismo disco la versión 2D de la película para los reproductores existentes, junto con la versión en 3D para los futuros reproductores en tres dimensiones.

Crece la demanda de OLED para telefonía móvil ■ La ﬁrma analista iSuppli ha elaborado un estudio de mercado acerca de los visualizadores OLED según el cual se espera un importante crecimiento en el período 2009-2015 para pasar de 22,2 a 178 millones de unidades. Pese a ello, el uso de la tecnología OLED entre los terminales móviles apenas ganará terreno puesto que apenas subirá hasta el 6% en 2013 partiendo de un 2%. El estudio también señala que la única razón que explica esta modesta penetración es que sólo se produce por un par de suministradores y en pocas factorías. La tecnología AMOLED proporciona una calidad de imagen superior comparada con las tradicionales pantallas LCD, sobre todo en cuanto a contraste y tiempos de respuesta. Además, reducen el consumo y prolongan la duración de la batería. El modelo N85 de Nokia es uno de los terminales que incorporan una pantalla OLED con una diagonal de 2,6 pulgadas y un formato de 240x320 puntos. El coste de esta pantalla sería de unos 7,05 dólares, lo que supone un ligero encarecimiento frente a los 6,50 dólares de la versión LCD equivalente. iSuppli ha reﬂejado que el crecimiento en el periodo indicado será superior al 41% para las pantallas OLED que es muy superior al 8% de crecimiento que se espera para todos los tipos de visualizadores para terminales móviles.

Nace el interface iDP como sustituto de LVDS ■ STMicroelectronics y LG Display están colaborando en el desarrollo del interface iDP (Internal DisplayPort) con vistas a facilitar la interconexión e incrementar las prestaciones de las televisiones LCD con gran velocidad de refresco. El interface iDP propuesto reemplazaría al actual estándar LVDS (Low Voltage Differential Signaling) de la asociación VESA. Se ha señalado que el enlace trabaja a una velocidad de 3,24 Gbps por par diferencial, sólo se requieren 17 señales para el transporte de imágenes Full HD a 240 Hz a 10 bit por color sobre el enlace iDP, que son muchas menos que las 96 señales requeridas por el enlace LVDS convencional. Mundo Electrónico | DIC 09

optrónica

Actualidad

Equipos de medida para láseres

Características de un medidor de longitud de onda ■ Los medidores de longitud de onda son equipos autónomos de sobremesa que proporcionan los valores de una longitud de onda de forma precisa en medidas de fuentes láser pulsadas o continuas. Por tanto proporcionan una información fundamental de alta precisión para la monitorización de láseres sintonizables y láseres de diodo. Pese a que hay diferentes caminos para medir la longitud de onda, los medidores siempre proporcionan una mayor precisión que los espectrómetros o los monocromadores de rejilla. De hecho, los actuales instrumentos son capaces de trabajar con una precisión bastante por debajo del nanómetro. La escala de medida se podría promediar entre 0,01 nm y algunos cientos de picómetros, por lo que pueden trabajar perfectamente con los láseres actuales, midiendo la deriva de la longitud de onda sin necesidad de utilizar técnicas complejas que requieren mucho tiempo de medida como requerirían las medidas con un espectrómetro. Los medidores de longitud de onda se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren una medida muy precisa de la longitud de onda del láser de

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forma rápida y sin aplicar complejos procedimientos. Otro ámbito habitual de aplicaciones de láser sintonizables (como en LIDAR), incluso en las plantas de fabricación de sistemas de comunicaciones ópticos de tipo DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) para los cuales la medida de la longitud de onda es fundamental. El medidor de longitud de onda típico incorpora básicamente un fotosensor (que puede ser una matriz de fotodiodos o un CCD), los fotoampliﬁcadores, un termostato, un dispositivo para separar y medir la luz (como dos o más interferómetros), así como el software para la corrección de errores de la señal, al igual que el destinado al cálculo y representación de la longitud de onda. En este último punto, en el de la representación, existen elementos autónomos que incluyen la pantalla de visualización de la longitud de onda y otros que hacen uso de una conexión a un PC para que sea éste último el que utilice su pantalla para la representación de la longitud de onda adquirida. INTRUMENTOS TIPO MICHELSON O FIZEAU La mayoría de los instrumentos actuales se basan en interferómetros, que

acostumbran a ser de tipo Michelson o Fizeau. El interferómetro Michelson de barrido separa el haz incidente de luz entre un camino fijo y otro que se ha variado ligeramente. Ambos haces separados retornan al equipo y se recombinan para producir una máscara de interferencia senoidal. Entonces el dispositivo calcula la longitud de onda desconocida de la luz incidente utilizando la ecuación de interferencia de Michelson que establece que el doble de la distancia escaneada por el índice de refracción (habitualmente el aire) es igual al número de franjas de interferencia por la longitud de onda. La precisión de la medida de la longitud dependerá fundamentalmente de la precisión del desplazamiento del espejo de barrido. Los dispositivos tipo Michelson incorporan un láser de referencia con una longitud de onda conocida de alta presión. La referencia láser se mide al mismo tiempo que el desplazamiento del espejo de barrido para determinar la longitud de onda del haz incidente. Los medidores que se basan en una tecnología tipo Fizeau tienen la ventaja sobre los Michelson que no tienen ningún tipo de parte móvil, se basa todo en un diseño de estado sólido, lo que le permite ser insensible a cualquier tipo de fluctuación en la medida, por tanto, de entrada será un equipo más robusto. Además, debido a que no existe un espejo de barrido, tampoco requiere un láser de referencia, lo cual también elimina la necesidad de alimentación. El medidor tipo Fizeau se basa en dos placas reflejantes con un pequeño ángulo entre sí. Estas placas reflejan la luz láser incidente formando una máscara de franjas paralelas que, entonces, se hace incidir sobre una matriz de fotodiodos. A partir de este momento, el cálculo es similar al tipo Michelson puesto que se analizan las interferencias para proporcionar un cálculo de la longitud de onda del láser. En la actualidad, los medidores de longitud de onda tipo Fizeau proporcionan una mayor precisión que, no obstante, suponen un mayor coste y están limitados a medir longitudes de onda por debajo de 2,25 µm. Además, su precisión absoluta más elevada de hasta ±2 MHz (±0,005 pm a 800 nm)

requiere una calibración frecuente (hasta una vez cada minuto) mediante láseres de referencia estabilizados con longitudes de onda conocidas y mejores a 1 MHz. Por tanto, la decisión en este sentido se basa en la precisión que requiere la medida, si la medida requiere la precisión más elevada, entonces hay que optar por un equipo tipo Fizeau. Sin embargo, si se requiere un equipo de medida que no requiera una calibración constante (una vez por semana) y con una precisión de medida en torno a ±100 MHz, entonces la elección puede ser un instrumento tipo Michelson que además resulta más económico. OTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES A TENER EN CUENTA Una vez descartado el tipo de equipo en función de la precisión absoluta que se requiere, hay que decidir la resolución de medida que se necesita. En este sentido, la gama de equipos se acostumbra a dividir en tres categorías: la primera con una resolución de ±0,0002 nm, la segunda sería la categoría de ±0,001 nm y la gama básica de equipos que aportaría una resolución de ±0,01 nm. Precisamente el tema de las unidades es uno de los que más quebraderos de cabeza proporciona a la comparación, de esta forma, la mayoría de los fabricantes proporcionan la precisión absoluta en términos de nm o pm (nanómetros o picómetros), sin embargo, la resolución de la longitud de onda la suministran en unidades de frecuencia GHz o MHz (gigahercios o megahercios). En muchos casos esto sucede simplemente debido a la forma en la que trabajan los ingenieros, es decir, los ingenieros de comunicaciones acostumbran a hablar en términos de frecuencia, mientras que los ingenieros ópticos suelen utilizar unidades de longitud de onda. La conversión de longitudes de onda en frecuencia, o viceversa, es directa. De esta forma, un margen de longitudes de onda sería igual a la longitud de onda al cuadrado dividida por el valor de la velocidad de la luz (que es una constante) multiplicado por la escala de frecuencias: ∆λ = (λ2/c) ∆f Pero las complicaciones en las características publicadas todavía se complican más puesto que algunos fabricantes proporcionan los valores de precisión de la longitud de

onda en términos de parte por millón (ppm). La unidad ppm representaría 1/1.000.000 del valor de la longitud de onda representada lo que equivale al 0,0001% del valor de la longitud de onda mostrada. La utilización de la unidad ppm es para mostrar, según sus usuarios, que la incertidumbre depende linealmente de la longitud de onda mostrada. Es decir, ±1 ppm para una longitud de onda de 1390 nm sería equivalente a ±1,39 pm, mientras que, por ejemplo el mismo ±1 ppm de una longitud de onda de 890 nm sería equivalente a ±0,89 pm. Otro aspecto importante es la confianza en la medida. En muchos casos no es lo mismo la precisión que la confianza en dicha precisión para una determinada medida. Este tipo de instrumentos, como se ha mencionado con anterioridad requieren una importante y recurrente calibración, de hecho la calibración es un aspecto fundamental y crítico para lograr una medida precisa. La calibración se puede realizar mediante una fuente externa o interna. Por esta misma razón, algunos equipos incorporan un sistema de calibración interno que les aporta un sistema de calibración continua. En muchos casos se realiza mediante un láser HeNe de frecuencia única estabilizada que se estabiliza mediante una técnica en modo longitudinal equilibrada. Dependiendo de la precisión que requiera la medida, este tipo de calibración resulta más que suficiente. Adicionalmente, dependiendo del tipo de aplicación, puede ser necesario observar otras características del equipo como, por ejemplo, si realiza medidas de longitud de onda estrecha o se requiere una elevada repetitibilidad de medida. Otra alternativa es que se necesite un equipo multilongitud de onda como los requeridos para medida en comunicaciones DWDM. Finalmente, tampoco hay que dejar de lado la potencia que necesita soportar o las conexiones, no es lo mismo realizar medidas en aire que tener una conexión por fibra óptica. Pueden necesitarse atenuadores para no dañar el sistema de medida o puede que la aplicación no suponga el uso de señales de excesiva potencia. También se ha de tener en cuenta si el equipo es autónomo o bien requiere conexión a PC; en este último caso, conviene revisar el software que incorpora, tanto si es únicamente de representación como si incorpora algún tipo de software de análisis y tratamiento de datos.

Toshiba alcanza los 14,6 Mpuntos con su nuevo sensor de imagen CMOS ■ Toshiba ha presentado un sensor de imagen en formato CMOS caracterizado por sus 14,6 millones de puntos. Este dispositivo está destinado a cámaras digitales y teléfonos móviles con soporte a vídeo. El sensor pertenece a la familia Dynastron de la compañía japonesa y es el primer modelo que mejora la sensibilidad ofreciendo una tecnología de iluminación posterior (Back-Side Illumination, BSI). La tecnología BSI ofrece nuevos niveles de precisión con unas lentes situadas en la parte trasera del sensor, en el sustrato de silicio (no en el frontal, que limita la absorción de la luz debido al conexionado). Este nuevo posicionamiento de la lente permite incrementar considerablemente la sensibilidad a la luz, alrededor de un 40% en comparación con los productos anteriores del mismo fabricante. Toshiba ha dotado a estos sensores de una separación entre puntos de 1,4 micras para totalizar un sensor de 1/2,3 pulgadas que permite soportar los requisitos de precisión más elevados y de esta forma mejorar considerablemente la imagen en los teléfonos móviles. El sensor se producirá en obleas de 300 mm con un proceso de fabricación de 65 nm, la japonesa espera producir medio millón de sensores al mes.

Fluke Networks edita una guía de comprobadores de fibra óptica ■ Fluke Networks ha condensado todos sus años de experiencia en “Cableado de Fibra Óptica para Comunicaciones de Datos – Guía de Referencia Rápida de Test y Medición”. Esta guía, que se puede descargar gratuitamente a través de la web de la compañía (www.flukenetworks. com), ofrece instrucciones para mejorar las tareas de verificación y certificación de fibra óptica, así como técnicas de localización de fallos para superar los retos asociados al diagnóstico de problemas en una instalación compleja. Mundo Electrónico | DIC 09

productos y servicios

la solución

Soporte MIPI para osciloscopios

Tektronix actualiza su serie DPO7000 La serie de osciloscopios de Tektronix DPO7000 está compuesta por instrumentos de cuatro canales con una velocidad máxima de muestreo de 10 GS/s, una profundidad de memoria de 400 megamuestras en el modelo alto de la gama y un ancho de banda entre 500 MHz y 2,5 GHz. La mejoras introducidas por el fabricante norteamericano incluyen soporte al estándar MIPI (Mobile Industry Processor Interface) D-PHY, complementado con un software para el análisis de protocolos UART/RS-232.

La especificación MIPI D-PHY está ganando terreno entre los fabricantes de dispositivos móviles inalámbricos como bus de comunicaciones entre controladores embebidos, cámaras y visualizadores. Esta especificación ayuda a los fabricantes a reducir el tiempo de comercialización y reducir los costes de integración. Para lograrlo, se debe asegurar la convergencia con el estándar y en este sentido la nueva opción de la serie DPO7000 permite una caracterización D-PHY completa según las distintas referencias de la normativa. La nueva solución MIPI incluye una biblioteca de configuración automática y métodos de realización de la

comprobación de la capa física D-PHY. La nueva biblioteca permite realizar un ajuste automático del análisis, incluyendo la realización de medidas en tiempo real en función del último listado de conformidad D-PHY, lo que aporta una solución completa en un instrumento para este tipo de medidas.

CARACTERISTICAS TÉCNICAS ■ Ancho de banda: 500 MHz a 2,5 GHz. ■ Hasta 10 GS/s de velocidad de muestreo y profundidad de memoria de 400 MS. ■ Pantalla en color de 12 pulgadas. ■ Opción MIPI disponible para las series DPO7000; DPO/DSA70000B y MSO70000. ■ Opción USART/RS-232 disponible para las series DPO7000 y DPO/ DSA70000B. ■ Cuenta con conexiones serie: I2C, SPI, RS-232, CAN. ■ Basado en plataforma Windows XP. ■ Cuatro nuevas sondas pasivas para medida de comunicaciones. DIC 09 | Mundo Electrónico

Además, es una solución escalable de forma que, en caso necesario, se podría ir completando con los nuevos estándares MIPI, como es el caso de M-PHY. Las funciones de disparo de la serie DPO7000, junto con el software de análisis de protocolos (PDU-R) destinado a los interfaces RS-232 y UART/RS-232, permite un enlace rápido para convertir los datos decodificados en formas de onda seleccionando los datos de la tabla de resultados. Este procedimiento permite un ahorro considerable de tiempo de depuración y de las tareas de verificación ligaras a estos estándares de interface. Las novedades se completan con cuatro nuevas sondas pasivas y tres herramientas de análisis que incluyen funcionalidades adicionales para formas de ondas, marcación y búsquedas avanzadas y diferentes herramientas para análisis de fluctuación (jitter). Todo ello manteniendo la plataforma Windows sobre las que trabajan estas herramientas, junto la pantalla en color de alta resolución de 12 pulgadas que incluyen estos equipos. Todos los equipos y accesorios Tektronix se comercializan en España a través de AFC Ingenieros.

CONVERSION

Controladores CC/CC para dispositivos portátiles Las familias de controladores CC/CC de Fairchild FAN2XXX y FAN5XXX presentan una eﬁciencia máxima del 96% con una corriente máxima de salida de 10 A sobre un amplio margen de entrada (de 2,5 V a 24 V) y un sistema de protección contra cortocircuitos y desconexión por sobretemperatura. Su bajo valor de corriente en reposo, de hasta 25 µA en modo de bajo consumo, hace que resulten especialmente indicados para dispositivos portátiles alimentados por batería. Entre las novedades se incluyen controladores CC/CC y también hay disponibles controladores de carga Intellimax, MOSFET, optoacopladores de alto rendimiento, diodos IGBT, componentes lógicos e interfaces. ■ Fabricante: Fairchild Semiconductor ■ Comercializa: RS Amidata

MEDIDA

Analizador de red de hasta 3 GHz El analizador de red modelo E5061B permite realizar un análisis en una escala de frecuencias que empieza en 5 Hz y se extiende hasta 3 GHz eliminando la necesidad de instrumentos dedicados al análisis en bajas frecuencias. Este modelo es parte de la familia ENA de analizadores de red que incluyen una medida de RF general, ﬁltros y test de ampliﬁcación, así como las medidas de baja frecuencia necesarias para realizar la evaluación de los convertidores CC/CC de ganancia de bucle. Aporta un margen dinámico a la medida de 120 dB sobre 1 MHz que se reduce a 90 dB a 100 Hz. El puerto de test de ganancia de fase, entre 5 Hz y 30 MHz, permite conmutar entradas de 1 MW/50 W. Finalmente, el pequeño formato del equipo, con sólo 254 mm de profundidad, facilita su adaptación a grandes restricciones de espacio. ■ Fabrica y comercializa: Agilent Technologies

MEDIDA

Osciloscopios de 4 canales El osciloscopio de 250 MHz y 4 canales DSO/MSO HMO2524 es muy similar al HMO3524 (350 MHz). Ofrece una frecuencia de muestreo en tiempo real de hasta 2,5 GS/s con una profundidad de memoria de hasta 4 Mpuntos. Todas las opciones y accesorios - incluye la sonda lógica HO3508 - son idénticas al modelo HMO3524. También se ha ampliado los accesorios con la sonda activa de 1 GHz con terminación singular HZO30 tiene una baja capacidad de entrada con 0,9 pF y una resistencia de entrada de 1 MΩ, y con ello carga mínimamente el circuito que se desea medir. La nueva sonda de corriente HZO50 (30 A pico, CC a 100 kHz) es el modelo sucesor a la sonda HZ56-2 actual. La sonda HZO20, con un factor de atenuación 1000:1, realiza medidas hasta 1000 Vrms, con un ancho de banda de hasta 400 MHz. ■ Fabrica y comercializa: Hameg

INDUSTRIA

Bus industrial con alta capacidad de E/S El bus Componet es capaz de gestionar hasta 2.560 puntos de E/S con la conexión de hasta 384 nodos. Utiliza esclavos de tipo "Word", "2-Bit" y “Modular” (mediante la cabecera de CompoNet para “SmartSlice”. Cada esclavo se puede conﬁgurar para ajustarse a las necesidades del usuario: en un solo dispositivo E/S digitales y/o analógicas, contadores de alta velocidad, entrada de temperatura tipo PT100, PT1000 y termopar, etc., y funciones. Tiene una capacidad de refresco de 1.000 puntos/ms y facilita su instalación ya que no necesita herramientas ni soldaduras. Debido a los distintos tipos de cable, de conector (son extraíbles, evitando así recableados) y la posibilidad de utilizar repetidores, CompoNet libera al usuario de las topologías convencionales de línea o anillo, y permite la bifurcación ilimitada con una longitud total de línea por segmento de 500 m, para permitir la puesta en marcha progresiva y lograr un mantenimiento y diagnóstico más sencillos.

SOFTWARE

Servidor de redes para Linux El servidor autónomo de redes XPort Pro trabaja con los sistemas operativos Linux o Evolution OS. Anunciado como el servidor de redes Linux más pequeño del mercado, XPort Pro aumenta su memoria en la placa de 8MB SDRAM/16 MB ﬂash en comparación con los 256 KB de dispositivos XPort de próxima generación y con una corriente muy baja de 150 mA a 10 Mbps para minimizar el consumo de energía. El XPort Pro, que tiene una huella compatible con los servidores de redes XPort, es un módulo preparado para la producción que elimina la necesidad de un diseño con una compleja conectividad. Su procesador de 32 bit de alta velocidad permite realizar aplicaciones avanzadas directamente en dispositivos conectados. La oferta se complementa con IPv6 integrada y potentes bibliotecas de funciones para adaptarse a numerosas aplicaciones M2M. ■ Fabricante: Lantronix ■ Comercializa: Acal Technology

■ Fabrica y comercializa: Omron Electronics

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productos y servicios 46

MEDIDA

Osciloscopio de 5 GS/s en formato USB La familia PicoScope de osciloscopios USB de muestreo 9200 para ordenador de dos canales con un ancho de banda de 12 GHz ofrece una velocidad de muestreo en tiempo real de 5 GS/s. A esto se le une un ancho de banda de 350 MHz en los cuatro canales. Los osciloscopios también disponen de un buffer de memoria de hasta 1 GS. Incorporan asimismo generador de funciones, generador de formas de onda arbitrarias, prueba de límites de máscaras, limitación de ancho de banda conmutable en cada canal y entradas de 1 MΩ y 50 Ω conmutables. Los osciloscopios pueden conectarse a cualquier ordenador con Windows XP, Windows Vista o Windows 7 con un interface USB 2.0. Los elevados anchos de banda y velocidades de muestreo hacen que estos osciloscopios sean idóneos para los diseñadores de circuitos analógicos y digitales, ingenieros de pruebas e instaladores.

COMUNICACIONES

Oscilador controlado por tensión El VCO (oscilador controlado por tensión) modelo CRO1920C-LF trabaja en la banda L de frecuencias. El CRO1920C-LF opera entre 1915 y 1925 MHz, con un margen de tensión de ajuste de 0-5 VCC. Este VCO dispone de un ruido de fase típico de -119 dBc/Hz a 10 kHz y una sensibilidad típica de 6 MHz/V. El CRO1920C-LF ofrece una potencia de salida típica de 3 dBm a 8 VCC con un consumo típico de corriente de 18 mA a temperaturas de -10 a +75ºC. Este VCO se suministra en un encapsulado MINI estándar 16-SM (0,5x0,5x0,22 pulgadas) disponible en cinta y bobina. El CRO1920C-LF está especialmente diseñado para aplicaciones de comunicación por satélite y aplicaciones inalámbricas ﬁjas que requieren de un bajo ruido de fase. ■ Fabricante: Z-Communications ■ Comercializa: Monolitic

COMUNICACIONES

Conmutadores de baja tensión

■ Fabricante: Pico Technology ■ Comercializa: Setup Electrónica

CONVERSIÓN

Regulador CC/CC de 1 A

El modelo LTM8031 es un regulador CC/CC capaz de conducir hasta 1 A de corriente. Es el segundo modelo de la familia µModule de este fabricante, que incorporan inductor, controlador CC/CC conmutado, conmutadores de potencia, ﬁltros y todos los componentes de soporte dentro de un encapsulado LGA de 9x15x2,82 mm. Ha sido certiﬁcado por un laboratorio EMI independiente como compatible con los requisitos de EM55022 clase B. Puede ajustar la frecuencia de conmutación entre 200 kHz y 2,4 MHz con una resistencia o sincronización a un reloj externo, trabaja con tensiones de entrada entre 3,6 V y 36 V y es capaz de regular una tensión de salida entre 0,8 V y 10 V. Entre sus características adicionales destaca su peso de sólo 1,2 g y que puede trabajar en márgenes de temperatura industrial y militar. El modelo LTM8032 tiene las mismas características que el anterior pero permite soportar corrientes de hasta 2 A.

La TC7MBL/WBL/SBLxxxxC es una familia de conmutadores de baja tensión y reducida capacidad que permiten la conmutación de bus para aplicaciones que requieran una elevada velocidad de transferencia de datos de forma bidireccional. Se ha fabricado con una tecnología propietaria que asegura una reducida capacidad de terminal en comparación con otros conmutadores. La capacidad típica es de 5 pF, con una resistencia en conducción típica de 6,5 W cuando trabaja con una entrada de tensión de 3 V y una corriente máxima en reposo de 10 µA. Se ofrece en configuraciones SPST, SPDT y SP4T con opciones de 2, 4 y 8 bit dependiendo del modelo y configuración. El conmutador viene con una patilla de salida habilitada para un aislamiento completo de los lados A y B. En configuraciones SPDT y SP4T cada conmutador está equipado con patillas de selección adicionales para E/S. Dependiendo del modelo elegido, existen diferentes formatos de encapsulado como SOT-353, TSSOP, VSSOP y VQON. ■ Fabrica y comercializa: Toshiba Electronics Europe

MEDIDA

Módulo sensor de huellas dactilares El compacto módulo de autenticación de huellas digitales MK67Q5250-2510 se basa en la solución ML67Q5250 de Oki y en el sensor AES2510 de AuthenTec para conjuntar un módulo con funcionalidad completa dentro de unas dimensiones de 25,4x22,85 mm que incluye todas las funciones como son el registro de datos, la autentificación y la gestión de los datos en un mismo módulo sin partes externas. Utiliza un algoritmo de identificación tipo DFT con gran velocidad de medida (0,8 s), el dispositivo cuenta con una FAR inferior a 0,001% y un FRR inferior al 1,0%, es capaz de almacenar hasta 45 huellas en la memoria flash que incluye.

■ Fabrica y comercializa: Linear Technology ■ Fabrica y comercializa: Rohm Semiconductor DIC 09 | Mundo Electrónico

CONVERSIÓN

Convertidores de punto de carga no aislados Las series Okami OKY y OKX se han ampliado con nuevos modelos de convertidores CC/CC de punto de carga (PoL) aislados que ofrecen capacidades para soportar corriente de 10 A y 16 A dependiendo del modelo. Los nuevos dispositivos aceptan entradas entre 2,4 VCC y 5,5 VCC, todos tienen una salida de tensión programable entre 0,7525 VCC y 3,63 VCC. Los nuevos dispositivos se basan en una topología de conmutación de convertidor reductor síncrono a frecuencia ﬁja que les proporciona una elevada eﬁciencia sin degradación térmica en todo el margen de temperaturas de funcionamiento que se extiende entre -40 y +85ºC. Capaces de manejar cargas capacitivas de hasta 1000 µF, estos convertidores se encuentran disponibles en versiones con control de conexión/desconexión tanto positivo como negativo. Todos los modelos ofrecen la función de bloqueo de subtensión e incorporan protección frente a cortocircuitos. Con unas dimensiones de 33,0x13,5x8,4 mm para la familia OKY y de 50,8x12,7x9,4 mm para la OKX, todos los dispositivos cumplen los requisitos de seguridad establecidos en la norma UL/EN/IEC 60950-1.

ACTIVOS

Amplificadores operacionales CMOS Las series BU7265G/SG y BU7411G/SG se componen de amplificadores operacionales CMOS que proporcionan un consumo de corriente de 0,35 µA con una pendiente de salida de 0,05 V/µs, por lo que son perfectamente adecuados para la configuración de baterías. Ambas series componen un total de ocho modelos que permiten ajustarse a la necesidad de cualquier usuario con capacidad de trabajan de forma estable a temperaturas de hasta 105ºC. Estos dispositivos se han optimizado para minimizar el consumo por lo que se destinan a sistemas portátiles o que tengan restringido el consumo. La serie BU7411G/SG combina el bajo consumo con una baja tensión a partir de 1,6 V, que le permite reducir la potencia. Otra de las características fundamentales de ambas series es la rápida respuesta, por lo que aporta una pendiente de salida muy reducida, además de una resistencia ESD máxima de 4 kV.

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Cargo o Función 01 Director 02 Jefe de Departamento o Producto 03 Ingeniero / Cuadro / Jefe de proyecto 04 Técnico 05 Otros: Departamento 01 Administración / Gestión 02 Comercial / Márketing 03 Compras 04 Dirección General 05 Mantenimiento 06 Documentación 07 Enseñanza 08 Informática

09 10 11 12 13 14 15 16 21

Estudios Métodos Producción I+D Técnico Técnico Comercial Automatización Control de Calidad Instrumentación

Actividad Principal 01 Fabricación / Producción 02 Representación / Distribución 03 Almacenista 04 Detallista 05 Estudios Número de trabajadores de su empresa 01 1 a 5 05 100 a 499 02 6 a 9 06 500 a 999 03 10 a 49 07 1.000 a 4.999 04 50 a 99 08 Más de 5.000 Sector de actividad de su empresa

Mundo Electrónico | DIC 09

agenda 48

I Congreso Green TIC

Las tecnologías como clave para el respeto al medio ambiente

En este encuentro organizado por Asimelec se presentó la Plataforma Tecnológica Green TIC, cuyo objetivo es aunar intereses públicos y privados y aprovechar los nuevos nichos de negocio.

Nuria Calle

a primera edición del congreso Green TIC, celebrado en Madrid en noviembre, llegó a una conclusión clara: el sector TIC debe ser el centro de la solución al cambio climático. Sin embargo, los participantes en la jornada organizada por la Asociación Multisectorial de Empresas de Tecnologías de la Información, Comunicaciones y Electrónica (Asimelec) también coincidieron en señalar que es necesario hacer un mayor esfuerzo para convencer al tejido empresarial de esta responsabilidad, y que los gobiernos deben mostrar una mayor implicación. El Presidente de Asimelec, Martín Pérez, destacó que los productos procedentes de este sector consumen energía y suponen el 2% de las emisiones globales de CO2 pero, además, proporcionan tecnologías que reducen el consumo de energía de los otros sectores de actividad económica, respon-

DIC 09 | Mundo Electrónico

sables del 98% de emisiones restantes. Por eso, “las TIC tienen un papel fundamental para combatir el cambio climático permitiendo a otros ámbitos, como el transporte, la construcción, o los sectores energéticos e industrial, optimizar sus consumos energéticos y ayudarles en el control y la gestión medioambiental así como en la rebaja de sus emisiones de CO2”. Para el Presidente de Asimelec, Europa puede cumplir, o incluso superar, los objetivos 2020 de la UE en cuanto reducción de emisiones, penetración de las energías renovables y mejora de la eficiencia energética, “si el sector emplea en todo su potencial”. Por su parte, el Director General de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información, David Cierco, indicó que los retos de un futuro sostenible exigen seguir dando pasos, por lo que el Plan Avanza 2 prestará una atención especial a las tecnologías respetuosas con el medio ambiente. CONCIENCIACIÓN CIUDADANA Maj Britt, Subdirectora General de Calidad del Aire del Ministerio de Medio Ambiente, abogó por la incorporación de las TIC en los hogares. Argumentó que la dificultad reside en que los costes medioambientales no repercuten directamente en los bolsillos de los ciudadanos, lo que conduce a decisiones poco eficientes. Por eso considera que es necesario reflejar la totalidad de los

costes de cara a los ciudadanos y que se logre un desacoplamiento entre crecimiento económico e impacto medioambiental. Mercè Griera, de la Dirección General de la Sociedad de la Información en la CE, aconsejó que “los sectores tecnológico y energético vayan de la mano y aprovechen las oportunidades de negocio que brindan las TIC”. El congreso sirvió también para presentar la Plataforma Tecnológica Green TIC, auspiciada por Asimelec y coﬁnanciada por el Plan Avanza. Su objetivo es convertirse en referente nacional en materia de I+D+i medioambiental y social en el ámbito de las TIC.

Matelec otorga un gran protagonismo a las energías Las energías renovables y el ahorro energético en general constituirán uno de los principales aspectos que tratará Matelec (Salón Internacional de Material Eléctrico y Electrónico) en Madrid entre los días 26 y 29 de octubre de 2010. Para ello en Matelec, además de la oferta expositora, se propone un completo programa de jornadas técnicas, que tratarán cuestiones como la TV digital terrestre (TDT), energías renovables, así como redes de voz y datos. www.matelec.ifema.es

Mundo Electr贸nico | OCT 09

índices y avances 50

Índice de anunciantes Mundo Electrónico - Diciembre 414

Ambilamp ..........................52

Próximo número - 415 La próxima edición de Mundo Electrónico será un número doble que dedicará el dossier a los Sistemas Embebidos y publicará la segunda parte del artículo sobre la selección de transistores para el diseño de reductores síncronos de alta frecuencia.

Fadisel ..................... Portada Impelsa ..............................13 Mentor Graphics ...............33 MSC Iberia ...........................9 Premium ......................51, 11 RC Microelectrónica ...........2

Tendencias

Selección de transistores para reductores síncronos de alta frecuencia (y II) Miguel Rodríguez, Alberto Rodríguez, Pablo F. Miaja y Javier Sebastián Universidad de Oviedo, Grupo de Sistemas Electrónicos de Alimentación Convertidores CC/CC digitales Patrick Le Févre Ericsson Power Modules

Rohde & Schwarz ................4 UPC ....................................25

Dossier

Sistemas Embebidos

Índice de Empresas citadas Acal Technology ...........................................7,45 Adler Instrumentos.............................................9 Aeroﬂex..............................................................9 AFC Ingenieros ................................................44 Agilent Technologies .......................................45 Analog Devices ................................................11 Anatronic..........................................................10 Arrow .................................................................7 Atmel................................................................10 Avago Technologies .........................................41 Bﬁ Optilas ..........................................................7 CSR ....................................................................9 Fairchild Semiconductor ..................................45 Farnell .........................................................14,36 Fluke Networks ................................................43 Hameg ..............................................................45 Lantronix ..........................................................45 LG ....................................................................41 Linear Technology ...........................................46 DIC 09 | Mundo Electrónico

Maxim ..............................................................28 Microchip Technology ..................................8,11 Monolitic ..........................................................46 Murata ..............................................................47 National Semiconductor................................8,20 NEC.............................................................10,13 NXP Semiconductor ........................................41 Omron Electronics ...........................................45 Pico Technology ...............................................46 Rohm Semiconductor.............................12,46,47 RS Amidata ......................................................45 Setup Electrónica .............................................46 STMicroelectronics .....................................11,41 Tektronix ..........................................................44 Texas Instruments ..............................................8 Toshiba ........................................................43,46 Vincotech ...........................................................9 Z-Communications ..........................................46