Fuente de alimentación de alta densidad fácil: la fuente de alimentación DC/DC de 48A montada en superficie utiliza cuatro reguladores de 12A μModule en paralelo

Los reguladores DC/DC μModule de Linear Technology simplifican el diseño de las fuentes de alimentación proporcionando la comodidad de los módulos de alimentación tradicionales en un factor de forma IC. Por ejemplo, el regulador LTM4601 μModule es un módulo completo de potencia reductora en un encapsulado LGA de 15 mm × 15 mm × 2,8 mm.

El LTM4601 acepta entradas de 4,5V a 20V y puede producir salidas de 0,6V a 5V a 12A. Los amplios rangos de entrada y salida del LTM4601 y su excelente rendimiento térmico permiten integrarlo fácilmente en diversas aplicaciones con un mínimo esfuerzo de diseño. Basta con ajustar la tensión de salida con una sola resistencia y determinar la capacidad de entrada y salida necesarias.

Otra ventaja importante del LTM4601 respecto a los sistemas basados en módulos de alimentación o en circuitos integrados es su capacidad de adaptarse fácilmente al aumento de las cargas. Si las necesidades de carga son mayores que las que puede producir un controlador μModule, basta con añadir más módulos en paralelo. El diseño de un sistema paralelo requiere poco más que copiar y pegar la disposición de cada controlador de 15 mm × 15 mm μModule. El paquete del μModule se encarga de las cuestiones de diseño eléctrico: no hay inductores externos, interruptores ni otros componentes de los que preocuparse. La distribución uniforme del calor se mejora con los reguladores en paralelo, lo que permite soluciones de montaje en superficie para aplicaciones de alta densidad de potencia

Para demostrar la sencillez y el rendimiento de un diseño de regulador de μModule en paralelo, en este artículo se exponen las directrices eléctricas, las consideraciones de diseño y las particularidades térmicas para diseñar un regulador compacto de 48A, 0,6V-5V VOUT4,5V-20V VEN convertidor con cuatro reguladores DC/DC LTM4601 μMódulo.

El regulador DC/DC LTM4601 μModule es un módulo de alimentación encogido de alto rendimiento con un factor de forma IC. Es una solución totalmente integrada, que incluye el controlador PWM, el inductor, los condensadores de entrada y salida, RDS(ON) FETs, diodos Schottky y circuito de compensación. Para ajustar la salida de 0,6V a 5V sólo se necesitan condensadores de tierra externos de entrada y salida y una resistencia. La fuente de alimentación puede producir 12A (más si está en paralelo) a partir de un amplio rango de entrada de 4,5V a 20V, lo que la hace extremadamente versátil. El LTM4601HV, compatible con los pines, amplía el rango de entrada a 28V.

Las características de salida incluyen el seguimiento de la tensión de salida y el margen. La alta frecuencia de conmutación, que suele ser de 850 kHz a plena carga, el tiempo de conexión constante y el controlador de latencia cero proporcionan una rápida respuesta transitoria a los cambios de línea y de carga, manteniendo la estabilidad. Si los armónicos de frecuencia son un problema, un reloj externo puede controlar la temporización mediante un bucle de bloqueo de fase integrado.

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La figura 1 muestra un regulador con cuatro LTM4601 en paralelo, que puede producir una salida de 48A (4 ×12A). Los reguladores están sincronizados, pero funcionan desfasados 90º entre sí, lo que reduce la magnitud de las corrientes de ondulación de entrada y salida mediante su cancelación. La ondulación atenuada reduce a su vez la corriente nominal efectiva del condensador externo y los requisitos de tamaño, reduciendo aún más el coste de la solución y el espacio de la placa

La sincronización y el cambio de fase se llevan a cabo mediante el oscilador LTC6902, que proporciona cuatro salidas de reloj, cada una de ellas desfasada en 90° (para relaciones de 2 ó 3 fases, el LTC6902 puede ajustarse mediante una resistencia). Las señales de reloj se utilizan como entradas a los pines PLLIN (phase lock loop in) de los cuatro LTM4601. El bucle de bloqueo de fase del LTM4601 consta de un detector de fase y un oscilador controlado por tensión, que se combinan para bloquear el flanco ascendente de un reloj externo con un rango de frecuencia de 850 kHz ±30%. El bucle de bloqueo de fase se activa cuando se detecta un impulso de al menos 400ns y una amplitud de 2V en el pin PLLIN, pero se desactiva en el arranque. La figura 2 muestra las formas de onda de conmutación de cuatro controladores LTM4601 μModule en paralelo.

Figura 1. El diseño de una fuente de alimentación de alta densidad para una aplicación con limitaciones de espacio no podría ser más fácil. Aquí, cuatro controladores LTM4601 μModule están en paralelo en un esquema sencillo. La colocación de la placa es igualmente fácil, ya que hay muy pocos componentes externos.

Figura 2. Las formas de onda de conmutación individuales del LTM4601 para el circuito de la Figura 1 muestran la relación desfasada de 90°.

Sólo se necesita una resistencia para ajustar la tensión de salida en una configuración en paralelo, pero el valor de la resistencia depende del número de LTM4601 utilizados. Esto se debe a que el valor efectivo de la resistencia de retroalimentación superior (interna) cambia cuando pones los LTM4601 en paralelo. La tensión de referencia del LTM4601 es de 0,6V y el valor de su resistencia interna de realimentación superior es de 60,4kΩ, por lo que la relación entre VOUTla resistencia de ajuste de la tensión de salida (RFB) y el número de módulos (n) colocados en paralelo es :

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Ecuación 1

La figura 3 ilustra la alta eficiencia del sistema en el amplio rango de corriente de salida de hasta 48 A. El sistema tiene un rendimiento impresionante, sin caída en la curva de eficiencia en una amplia gama de tensiones de salida.

Figura 3. La eficiencia de los cuatro LTM4601 en paralelo sigue siendo alta en un amplio rango de salidas.

La disposición de los controladores de μModule en paralelo es relativamente sencilla, ya que hay pocas consideraciones de diseño eléctrico. Sin embargo, si la intención de un diseño es minimizar el área de la placa de circuito impreso necesaria, las consideraciones térmicas pasan a ser primordiales, por lo que los parámetros importantes son el espaciado, las vías, el flujo de aire y los planos.

El controlador LTM4601 μModule tiene una huella de paquete LGA única, que permite una sólida fijación a la placa de circuito impreso a la vez que mejora el disipador de calor. La propia huella simplifica la disposición de los planos de potencia y de tierra, como se muestra en la Figura 4. La disposición de cuatro controladores μModule en paralelo es igualmente sencilla, como se muestra en las figuras 5 y 6.

Figura 4. La disposición de las patillas del LTM4601 favorece la colocación sencilla del plano de alimentación y el paralelismo sin complicaciones de las piezas.

Figura 5. Planos de la capa superior de un sistema de 4 μMódulos paralelos.

Figura 6. Planos de la capa inferior para el sistema de 4 μMódulos paralelos.

Si se disponen correctamente, el encapsulado LGA y los planos de potencia pueden proporcionar por sí solos un disipador de calor suficiente para mantener fresco el LTM4601.

La figura 7 es una imagen térmica de la placa DC1043A con lecturas de temperatura en lugares específicos. Los deslizadores 1 a 4 dan una estimación aproximada de la temperatura de la superficie de cada módulo. Los cursores 5 a 7 muestran la temperatura de la superficie de la placa de circuito impreso. Observa la diferencia de temperatura entre los dos reguladores interiores, cursores 1 y 2, y los exteriores, cursores 3 y 4. Los reguladores LTM4601 μModule colocados en el exterior tienen grandes planos a la izquierda y a la derecha que favorecen la eliminación del calor para enfriar la habitación unos cuantos grados. Los dos interiores sólo tienen pequeños planos en la parte superior e inferior para eliminar el calor, siendo ligeramente más cálidos que los dos exteriores.

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Figura 7. Termografía de cuatro LTM4601 en paralelo sin flujo de aire (20V de entrada a 1,5V de salida a 40A).

Se puede conseguir una mayor disipación del calor añadiendo vías bajo la pieza. Las vías proporcionan un camino hacia los planos de potencia y hacia la placa de circuito impreso, lo que ayuda a disipar el calor. Las vías no deben colocarse directamente debajo de las almohadillas. La figura 8 muestra la disposición de las vías en el circuito de demostración DC1043A. Las cruces indican las vías situadas entre los pads LGA.

Figura 8. Colocación de vías (marcas en cruz) bajo un único μModule controller.

El flujo de aire también tiene un efecto sustancial en el equilibrio térmico del sistema. Observa la diferencia de temperatura entre la Figura 7 y la Figura 9. En la Figura 9, un flujo de aire de 200LFM fluye uniformemente desde la parte inferior a la superior de la placa de demostración, lo que provoca un descenso de 20°C en la placa en comparación con el caso sin flujo de aire de la Figura 7.

Figura 9. Termografía de cuatro LTM4601 en paralelo con un flujo de aire de 200LFM de abajo a arriba (20V de entrada a 1,5V de salida a 40A).

La dirección del flujo de aire también es importante. En la figura 10, el flujo de aire se desplaza de derecha a izquierda, empujando el calor de un μModule controller al siguiente, creando un efecto de apilamiento. El μMódulo de la derecha, más cercano al origen del flujo de aire, es el más frío. El controlador de μModule más a la izquierda tiene una temperatura ligeramente superior debido al calor de desbordamiento de los otros controladores de μModule LTM4601.

Figura 10. Termografía de cuatro LTM4601 en paralelo con un flujo de aire de 400LFM de derecha a izquierda en una cámara de ambiente de 50°C (entrada de 12V a salida de 1V a 40A).

La transferencia de calor a la placa de circuito impreso también cambia con el flujo de aire. En la figura 7, el calor se transfiere uniformemente a los lados izquierdo y derecho de la placa de circuito impreso. En la figura 10, la mayor parte del calor se desplaza hacia el lado izquierdo. La figura 11 muestra un caso extremo de apilamiento térmico de un dispositivo μModule a otro. Cada uno de los cuatro μModule controladores está equipado con un disipador de calor BGA y toda la placa se utiliza en una cámara con una temperatura ambiente de 75°C.

Figura 11. Termografía de cuatro LTM4601 en paralelo con disipadores BGA y flujo de aire de 400LFM de derecha a izquierda en una cámara de temperatura ambiente de 75°C (12V de entrada a 1V de salida a 40A).

La función de arranque suave del LTM4601 evita grandes corrientes de entrada en el arranque, reduciendo lentamente la tensión de salida a su valor nominal. La relación entre el tiempo de arranque y la VOUT y el condensador de arranque suave (CSS) es :

Ecuación 2

Por ejemplo, un condensador de arranque suave de 0,1μF da una rampa nominal de 8 ms (véase la figura 12) sin cadena.

Figura 12. Rampa de arranque suave para cuatro LTM4601 en paralelo.

El reparto de la corriente entre los reguladores en paralelo está bien equilibrado desde el arranque hasta la plena carga. La figura 13 muestra una curva de corriente de salida distribuida uniformemente para un sistema de 2 LTM4601 en paralelo, a medida que cada uno sube a un nivel nominal de 10A cada uno, 20A en total.

Figura 13. El reparto de corriente entre los reguladores en paralelo está bien equilibrado desde el arranque hasta la plena carga. Dos LTM4601 en paralelo, cada uno de los cuales se eleva a un nivel nominal de 10A cada uno, 20A en total.

El μMódulo LTM4601 es un regulador reductor autónomo de 12A en formato de CI. Se puede poner fácilmente en paralelo para aumentar la capacidad de carga a 48 A, como se muestra aquí. El rendimiento térmico es igualmente impresionante con una corriente de salida de 48 A, con un reparto equilibrado de la corriente y un arranque suave y uniforme. La facilidad y sencillez de este diseño minimiza el tiempo de desarrollo y ahorra espacio en la placa.

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