Os engenheiros responsáveis ​​pelos subsistemas de energia de um projeto devem garantir que a fonte de alimentação principal (que, a menos que o dispositivo seja alimentado exclusivamente por baterias primárias, provavelmente virá de uma tomada CA) possa satisfazer a procura. Isto, por sua vez, exige um conversor CA/CC, o que levanta a questão: este conversor deve ser interno, ou seja, parte do próprio projeto, ou externo? 

Cada opção oferece as suas vantagens. Um conversor interno será integrado no projeto global, reduzindo potencialmente os requisitos de segurança e possivelmente, embora não necessariamente, diminuindo o custo total. Por outro lado, um conversor externo oferece uma maior flexibilidade em relação à potência total necessária. Se for escolhido um adaptador de alimentação externo, qualquer aumento subsequente da potência de saída do adaptador não afetará o design do restante produto. Por exemplo, um aumento de 20% na potência de saída do adaptador pode afetar proporcionalmente o tamanho do adaptador interno e exigir uma reavaliação das definições de gestão térmica. Um adaptador externo, no entanto, pode ser trocado sem afetar o tamanho e a forma de outros parâmetros no design principal do produto.

Além disso, se o produto principal utilizar baterias secundárias, um adaptador externo será quase certamente a opção preferida, uma vez que permite que o design da embalagem do produto seja feito independentemente do tamanho, peso e custo dos componentes necessários para a conversão CA/CC. Com a eletrónica moderna, o espaço necessário para o adaptador pode ser considerável em comparação com os componentes altamente integrados utilizados; por exemplo, não esperaríamos utilizar um adaptador CA/CC num tablet. Mesmo muitos portáteis utilizam agora um adaptador externo em vez de uma fonte de alimentação CA.

Os requisitos de design de um adaptador CA/CC não devem ser ignorados, mas também não devem tornar-se uma limitação no caso de se optar por um adaptador externo. Assumindo que um adaptador externo é a opção adequada para o próximo produto, várias decisões de projeto ainda terão de ser tomadas com base em vários fatores, como explicaremos de seguida.

Segurança em primeiro lugar

Na maioria dos casos, um adaptador externo fornecerá uma única tensão CC ao dispositivo, reduzindo assim a tensão da fonte de alimentação principal e distribuindo-a pelos subsistemas do produto. Esta tensão CC principal deve fornecer energia suficiente numa única ligação para alimentar todo o produto, pelo que se deve ter em atenção o tipo de conector utilizado.

Os adaptadores externos utilizam diversos tipos de conectores. Em dispositivos portáteis de baixa potência (como smartphones e tablets), predomina o conector USB. A chegada do USB 3. x com conector Tipo-C (também simplesmente chamado USB-C) aumentará ainda mais a sua prevalência, uma vez que permite o fornecimento de até 100 W a 20 V CC, caso a parte correspondente da especificação seja implementada. Por outro lado, o tradicional conector macho continua a ser popular, assim como os conectores em forma de D com múltiplos pinos, que vemos frequentemente nos adaptadores para dispositivos eletrónicos que requerem maior potência.

Figura 1: Existem muitas opções ao selecionar o conector apropriado para o adaptador de alimentação externo (Fonte: CUI) 

A cablagem deve ser adequada ao tipo de conector utilizado. Mais uma vez, os requisitos de energia determinarão, em certa medida, a bitola do fio, mas também devem ser consideradas as questões de segurança, tais como o comprimento do cabo e outras características. Se o utilizador planear modificar o conector, por exemplo, alterando o seu tamanho ou formato com adaptadores opcionais, isso também poderá afetar a certificação de segurança.

Uma vez que a corrente alternada (CA) é potencialmente perigosa, os adaptadores devem ser devidamente certificados e possuir a marca de conformidade, pelo menos se forem utilizados na maioria dos países. Embora exista algum esforço para uniformizar estes requisitos, ainda existem diferenças geográficas. Algumas características são comuns a várias regiões, mas todas as diferenças devem ser respeitadas. É importante referir que algumas aplicações, como os equipamentos médicos, têm requisitos específicos. O fabricante saberá provavelmente, antes de iniciar o processo de conceção, se o adaptador necessita de cumprir estas especificações com base na aplicação e no país ou região onde será instalado. Em caso de dúvida, o melhor é consultar um especialista, como a CUI.

Outro requisito relacionado com o projeto é a interferência eletromagnética (EMI) e a compatibilidade eletromagnética (EMC). A conformidade com as normas de EMI e EMC também varia de acordo com a região, e os testes são geralmente a única forma de ter a certeza. Em muitos casos, pode ser necessário algum tipo de filtragem para reduzir as emissões em determinadas frequências; os núcleos de ferrite são talvez a solução mais comum. Mais uma vez, especialistas como a CUI podem ajudar os fabricantes a cumprir estes requisitos.

Requisitos regionais

Muitos aspetos relacionados com a alimentação elétrica são regulamentados, incluindo os adaptadores internos e externos. É claro que, se for um adaptador externo, as especificações só se aplicarão ao próprio adaptador, enquanto que, se for um adaptador interno, provavelmente aplicar-se-ão a todo o produto. Embora possa parecer contraintuitivo, isto é relevante porque um adaptador que ofereça elevados níveis de eficiência não deve sofrer de ineficiências presentes noutras partes do produto.

Como exemplo, podemos referir o consumo energético de muitos produtos quando não existe carga, que necessita de cumprir os padrões de eficiência adotados por vários países. Nos EUA, a conformidade com a norma de Nível VI do Departamento de Energia (historicamente baseada na norma da Comissão de Energia da Califórnia, introduzida em 2004) é obrigatória. Esta norma, atualmente em vigor em todo o território americano, estipula a eficiência dos adaptadores de corrente externos e o seu consumo de energia em modo de espera. Por exemplo, um adaptador que forneça uma tensão CC única para uma potência de saída superior a 250 W deve oferecer uma eficiência mínima de 87% e consumir menos de 0,5 W quando não existe carga. A CUI fornece informações sobre muitas das normas em vigor em todo o mundo e como se aplicam aos adaptadores de alimentação externos. Basta dizer que, se o adaptador não cumprir a norma, não poderá ser utilizado. Se a própria fonte de alimentação cumprir a norma, mas estiver dentro de um produto que não a cumpre, redesenhar a fonte de alimentação será provavelmente ineficaz. Por outro lado, o design de um adaptador de alimentação externo que cumpra as normas permitiria a um fabricante utilizar tal design em muitos dos seus produtos ou até mesmo comercializá-lo no mercado de pós-venda.

Figura 2: Padrões de eficiência e a sua evolução ao longo do tempo (Fonte: CUI)

Outros aspetos de design a considerar incluem o tipo de ficha utilizada para ligar à tomada elétrica. Embora existam diferentes versões dependendo da região geográfica, está a tornar-se cada vez mais comum projetar com adaptadores externos certificados que funcionam em diversas regiões. Aliás, uma das principais vantagens de escolher um adaptador externo é que também torna o produto principal praticamente universal.

Neste sentido, é importante considerar se o adaptador se ligará diretamente a uma tomada ou se utilizará um cabo de alimentação CA. Esta decisão dependerá provavelmente de dois fatores: a estética do produto e a potência necessária. Os adaptadores que necessitam de fornecer cerca de 100 W, como os disponíveis com USB-C, podem optar pela versão com cabo de alimentação CA, que, por sua vez, oferece a possibilidade de uma secção destacável para se adequar a diferentes regiões.

O tamanho total do adaptador também precisa de ser considerado. Se este for um fator significativo, pode ser interessante utilizar tecnologias semicondutoras avançadas, como o nitreto de gálio (GaN), que consegue uma maior eficiência de comutação. Isto, por sua vez, melhora a eficiência térmica e permite uma maior frequência de comutação e, consequentemente, uma maior densidade de potência. Simplificando, uma maior eficiência significa um tamanho global mais pequeno. Isto pode ser importante para um adaptador de alimentação externo destinado a um dispositivo portátil ou para proporcionar uma melhoria ao utilizador final que tem de lidar com um adaptador grande e volumoso debaixo da secretária, atrás de um dispositivo ou noutro local próximo.

Soluções personalizadas

Como referido anteriormente, é perfeitamente viável comercializar adaptadores de alimentação externos como alternativa às fontes de alimentação internas do fabricante. Também faz todo o sentido que um fornecedor especializado como a CUI desenhe e fabrique a própria fonte de alimentação externa. Esta empresa oferece inúmeras opções para personalizar um adaptador de corrente externo de forma a combinar com o design do seu produto. Neste caso, ter um adaptador que exiba com destaque a sua marca, como se tivesse sido fabricado nas suas próprias instalações, é uma vantagem significativa e apenas um dos serviços adicionais que a CUI oferece.

Figura 3: A criação de uma marca para um adaptador externo faz parte da sua proposta de valor (Fonte: CUI)

É importante lembrar que, em última análise, o adaptador deve ser capaz de fornecer os níveis corretos de tensão e corrente ao dispositivo que alimenta, o que nos leva de volta à premissa de que a fonte de alimentação é sempre o último componente a ser projetado. É comum a equipa de projeto não saber com total certeza quanta energia um produto irá requerer. Se o adaptador CA/CC for interno, isto representa um desafio de design, mas se a decisão de o tornar externo for tomada o mais cedo possível, os engenheiros ficam autorizados a concentrar-se nas características e funcionalidades do produto. É aqui que a CUI pode ser inestimável, assumindo o design e o fabrico do adaptador de alimentação externo, concebido para fornecer os níveis de tensão e corrente necessários, estar em conformidade com todas as normas internacionais de segurança e eficiência, incorporar a marca do cliente no seu próprio estilo e incluir os conectores da sua escolha.

Autor: Ron Stull, Engenheiro de Sistemas de Energia, CUIInc.