Diferencias entre el convertidor Ćuk y el convertidor de bomba de carga inversora

El convertidor Ćuk (también conocido como convertidor inversor de dos inductores), la bomba de carga inversora y el convertidor inversor de un solo inductor (también conocido como impulsor-reductor inversor) proporcionan un voltaje de salida negativo a partir de un voltaje de entrada positivo. Sin embargo, los ingenieros a menudo, sin saberlo, se refieren a estas topologías con un nombre incorrecto, lo que agrega confusión a un área que ya es un poco confusa. ¿Qué hace cada topología? ¿Por qué elegir una topología sobre la otra? Las razones varían, siendo algunas más obvias que otras. La siguiente discusión destaca las diferencias entre las arquitecturas de fuente de alimentación inversora, con énfasis en el pensamiento intuitivo en lugar del diseño profundo de la fuente de alimentación y la teoría de conmutación. El objetivo es mostrar las ventajas y desventajas de Cuk y la bomba de carga inversora, seguido de una breve discusión sobre la topología inversora, para que pueda tomar una decisión más informada al seleccionar una topología de circuito de salida negativa que mejor se adapte a su aplicación.

La topología Ćuk generalmente se puede obtener de un dispositivo que también proporciona una topología boost, SEPIC o flyback. El LT8331 de alto voltaje y baja corriente de reposo es un ejemplo de un dispositivo que se puede configurar como un convertidor Ćuk. Cuenta con un amplio rango de voltaje de entrada de 4,5 V a 100 V e incluye un interruptor de alimentación de 140 V, 0,5 A. Su corriente de reposo de 6 µA, el bloqueo de bajo voltaje programable, la frecuencia de conmutación de 100 kHz a 500 kHz y la ondulación de salida baja lo hacen ideal para necesidades de voltaje de salida negativo, corriente de espera baja y alto voltaje.

Requiere dos inductores (estos pueden acoplarse o desacoplarse y normalmente tienen un valor equivalente) y un condensador de acoplamiento (C5) entre la entrada y la salida. El condensador de acoplamiento o bloqueo recibe energía del lado de entrada del circuito y la transfiere al lado de salida del circuito. Con condiciones de estado estable (es decir, después del encendido), el voltaje a través de este capacitor es constante y aproximadamente igual a V_EN.

Una variación del circuito convertidor de Ćuk es el circuito de bomba de carga inversora donde el inductor L2 se reemplaza por el diodo Schottky D3 que se muestra a continuación. El LT3581 es un regulador de conmutación multitpología con un interruptor de alimentación de 3,3 A/42 V. Tiene funciones de protección contra fallas incorporadas para ayudar a proteger contra cortocircuitos de salida, sobretensiones de entrada/salida y condiciones de sobretemperatura. Además, incluye un interruptor maestro/esclavo exclusivo que facilita la creación de voltajes positivos o negativos de alto voltaje mediante el apilamiento de circuitos de bomba de carga.

En la figura 3 y la figura 4, las topologías del convertidor Ćuk y del convertidor de bomba de carga inversora se muestran una al lado de la otra para comparar.

Tenga en cuenta que los dos circuitos se ven muy similares; con la excepción de que el segundo inductor de Cuk ha sido reemplazado por un diodo Schottky. Además, tenga en cuenta que ambos tienen un interruptor de alimentación MOSFET (o transistor NPN) de canal N de lado bajo. El interruptor de lado bajo también se usa en topologías boost, SEPIC y flyback, por lo que estos dispositivos son bastante versátiles. El nodo del interruptor siempre tiene un voltaje positivo aplicado. En un diseño Cuk, el pin de retroalimentación puede o no ver un voltaje negativo (algunos dispositivos no permiten voltajes negativos en ninguna parte del IC, algunos dispositivos tienen un pin de retroalimentación de modo dual que acepta voltajes tanto positivos como negativos). Aunque de apariencia similar, el funcionamiento de los dos circuitos es bastante diferente.

El Cuk se puede utilizar cuando la magnitud de V_AFUERA es mayor o menor que V_EN. Para el Cuk, el ciclo de trabajo simplificado (suponiendo diodos e interruptores sin pérdidas) viene dado por:

Ciclo de trabajo (D) = V_AFUERA/(V_AFUERA – V._EN)

como V_AFUERA se vuelve más negativo, el ciclo de trabajo se acerca al 100% y como V_AFUERA se acerca a cero, el ciclo de trabajo se acerca a 0%. El ciclo de trabajo es del 50% cuando |V_AFUERA| es igual a V_EN.

La figura 5a muestra el flujo de corriente Ćuk con el interruptor de encendido cerrado y la figura 5b muestra el flujo de corriente Ćuk con el interruptor de encendido abierto.

La corriente que fluye desde la fuente de alimentación de entrada es continua (en otras palabras, la corriente fluye desde la entrada cuando el interruptor de alimentación está cerrado o abierto). Cuando el interruptor está cerrado, ambos inductores tienen un flujo de corriente creciente (la corriente aumenta, pero como la corriente en L2 es negativa, las dos rampas de corriente se mueven en direcciones opuestas). La corriente en ambos inductores disminuye cuando se abre el interruptor. En la figura 6 vemos que la corriente de entrada promedio es simplemente la corriente del inductor promedio ((I_LAVG = Ipk + I_LMIN)/2).

Obsérvense los filtros LC a la entrada y salida del circuito formado por las bobinas y los condensadores de entrada/salida. El flujo de corriente continuo combinado con los filtros LC da como resultado una corriente de entrada y salida más suave, lo que a su vez genera un ruido de ondulación de voltaje de salida bajo.

Tenga en cuenta que la corriente de ondulación óptima del inductor debe ser aproximadamente el 40% de la corriente de salida. Esta es una buena regla general para la mayoría de los convertidores de CC/CC y representa un compromiso entre el tamaño pequeño del inductor y las pérdidas de conmutación bajas.

Para un Ćuk, este voltaje siempre es positivo. Uno no puede simplemente tomar un convertidor Ćuk y configurarlo como un inversor de un solo inductor para reducir los componentes del circuito. Además, se debe tener cuidado para asegurarse de que el interruptor de alimentación Ćuk pueda manejar el voltaje V_EN + |V_AFUERA| que aparece en el lado aguas arriba del condensador de bloqueo.

La bomba de carga inversora está estrechamente relacionada con un convertidor elevador porque combina un regulador elevador basado en un inductor con una bomba de carga inversora. Observe en el circuito de la figura 5a Ćuk que los circuitos y el flujo de corriente en la parte más a la izquierda de la figura son idénticos a un convertidor elevador. A este circuito le agregamos diodos y capacitores para obtener el convertidor de bomba de carga inversora. Al igual que la Ćuk, la bomba de carga inversora tiene una corriente de entrada continua, pero a diferencia de la Ćuk, tiene una corriente de salida discontinua. Esta configuración a menudo proporciona la mejor combinación de tamaño, eficiencia y ondulación de salida para una corriente de salida determinada. La topología de bomba de carga inversora solo se puede utilizar cuando la magnitud de V_AFUERA es mayor que V_EN. Para los casos en que la magnitud de V_AFUERA es menor o igual que V_ENuse una topología diferente, como un Ćuk, un convertidor inversor o un flyback inversor.

Aunque utiliza una bomba de carga, se pueden obtener corrientes de carga bastante altas porque el inductor es el principal elemento de almacenamiento de energía en lugar de un condensador flotante. La Figura 7 a continuación muestra el LT3581 utilizado como bomba de carga inversora (circuito superior) y convertidor elevador.

El LT3581 tiene interruptores maestro/esclavo en lugar de un solo interruptor de alimentación, y el diodo Schottky entre los pines SW1 y SW2 se usa para aislar los interruptores, de modo que el pico de corriente a través del capacitor de acoplamiento C1 (creado cuando se enciende el interruptor de alimentación) fluya solo a través del esclavo y no el interruptor principal (donde reside el comparador de corriente), evitando así que el comparador de corriente interno se dispare falsamente. Cuando el interruptor de alimentación se apaga, el voltaje en el nodo del interruptor vuelve a V_EN + |V_AFUERA| a medida que la energía se transfiere al condensador de salida y la carga. La desconexión de salida está inherentemente integrada en esta topología de inductor único.

Para la bomba de carga inversora, el ciclo de trabajo simplificado viene dado por:

Ciclo de trabajo (D) = 1 – (V_EN/|V_AFUERA|)

Desde |V_AFUERA| siempre es mayor que V_ENel ciclo de trabajo es cercano al 0% cuando son iguales y aumenta a medida que V_AFUERA se vuelve más negativo.

En la siguiente configuración de bomba de carga inversora, se agrega una resistencia en serie con el diodo Schottky entre la salida negativa y el pin D del LT3483/LT3483A. El propósito de esta resistencia es suavizar/reducir el pico de corriente en el capacitor C2 cuando se enciende el interruptor. Una resistencia de 10 Ω funciona bien en esta aplicación (batería de Li+ a –22 V a 8 mA), y el impacto en la eficiencia del convertidor es inferior al 3 %. Los valores de resistencia recomendados en el circuito de aplicaciones también limitan la corriente del interruptor durante una condición de cortocircuito en la salida.

La topología inversora usa un solo inductor y no requiere un capacitor de acoplamiento; por lo tanto, requiere menos componentes, como se muestra a continuación. En la figura 9 a continuación se muestra un ejemplo de la topología inversora de un solo inductor con el controlador inversor LTC3863 con interruptor de alimentación externo. El LTC3863 tiene un rango de voltaje de entrada de 3,5 V a 60 V, una corriente de reposo baja de 70 µA y permite voltajes de salida por debajo de -150 V. Dado que el interruptor de alimentación debe ver un voltaje negativo, la topología inversora es menos versátil, ya que solo se puede usar para voltajes negativos. También tiene un pico de corriente y una ondulación de salida más altos que un convertidor Cuk con una corriente de salida similar. Para el LTC3863, el interruptor de alimentación externo permite al usuario elegir el mejor MOSFET para la corriente máxima y el voltaje de salida deseados.

El ciclo de trabajo de la topología inversora es el mismo que el del convertidor Cuk, a saber

Ciclo de trabajo (D) = V_AFUERA/(V_AFUERA – V._EN)

De manera similar, dado el mismo voltaje de salida, voltaje de entrada y frecuencia de conmutación, los circuitos tienen el mismo ciclo de trabajo y la misma pendiente de corriente del inductor (es decir, la corriente de ondulación, que es igual a V_EN*t_EN/L). Veamos el flujo de corriente durante los ciclos de conmutación para cada topología.

Las figuras 10a y 10b muestran el flujo de corriente con el interruptor de encendido cerrado y abierto.

Para el convertidor inversor, la corriente fluye desde la fuente de alimentación de entrada solo cuando el interruptor está cerrado. Esto da como resultado una corriente de entrada pulsada en lugar de un flujo de corriente continuo.

A diferencia del Ćuk, la entrada promedio y la corriente máxima del circuito inversor son una función del ciclo de trabajo. Con un ciclo de trabajo del 50%, la corriente de entrada promedio es aproximadamente dos veces la del Ćuk (suponiendo que no haya otras pérdidas en el circuito). Dado que estamos tratando con la transferencia de energía, a medida que el voltaje de salida se vuelve más negativo o el voltaje de entrada disminuye, la corriente máxima del inductor aumenta, lo que aumenta el ruido de ondulación de salida; De manera similar, a medida que aumenta el voltaje de entrada o el voltaje de salida se acerca a 0 V, la corriente máxima del inductor disminuye. En ambos casos, la corriente del inductor puede ser continua y la corriente de entrada puede Acercarse siendo continuo, pero nunca es continuo. Por lo tanto, tiene sentido que para una corriente de salida dada, el convertidor Ćuk tenga una corriente de entrada máxima más baja (y una corriente de salida ya que las dos corrientes del inductor son similares) y un ruido de ondulación de voltaje de salida más bajo que una topología de convertidor inversor.

Otra diferencia entre las topologías es el voltaje en el nodo del interruptor. Para el convertidor inversor, este voltaje es negativo durante la segunda fase del ciclo de conmutación. Por lo tanto, las topologías no se pueden convertir fácilmente de una a otra.

Las topologías Ćuk, bomba de carga inversora e inversión proporcionan una salida negativa, pero cada configuración tiene matices que pueden proporcionar un beneficio al diseñar una fuente de alimentación negativa. Además de estos circuitos, el convertidor reductor con la salida referenciada a tierra y el convertidor flyback también pueden proporcionar un voltaje de salida negativo. Desafortunadamente, muchas hojas de datos y tablas paramétricas de búsqueda en línea no distinguen entre las topologías únicas, sino que las agrupan como "convertidores inversores". Sin embargo, armado con el conocimiento sobre las diferencias, ahora puede tomar una decisión más inteligente cuando llegue el momento de seleccionar un IC para la potencia de su sistema.