Limitaciones del extremo superior de un ciclo de trabajo

Los reguladores de conmutación utilizan un ciclo de trabajo para realizar el control de retroalimentación de voltaje o corriente. El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo de encendido (TEN) a la duración del ciclo completo, el tiempo de apagado (TAPAGADO) más el tiempo, y define una relación simple entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. Se pueden considerar otros factores para un cálculo más exacto, pero no son determinantes en las siguientes explicaciones. El ciclo de trabajo de un regulador de conmutación depende de la topología respectiva del regulador de conmutación. Un convertidor reductor (reductor), como se muestra en la Figura 1, tiene un ciclo de trabajo D de acuerdo con D = voltaje de salida/voltaje de entrada. Para un convertidor elevador (boost), el ciclo de trabajo D = 1 – (voltaje de entrada/voltaje de salida).

Figura 1. Un regulador de conmutación reductor típico con un ADP2441.

Estas relaciones se aplican al modo de conducción continua (CCM). Aquí, la corriente del inductor no cae a 0 en un período de tiempo, T. Este modo se encuentra con frecuencia en circuitos con operación a carga nominal. Con cargas más bajas o para operación intermitente intencional, la corriente de la bobina se descarga durante el tiempo de inactividad. Este modo se denomina modo de conducción discontinuo (DCM). Cada uno de estos dos modos de operación tiene sus propias relaciones para el ciclo de trabajo respectivo para un voltaje de entrada y un voltaje de salida específicos.

La figura 2 muestra un ejemplo de comportamiento de conmutación en el dominio del tiempo. Aquí consideramos un regulador de conmutación reductor en modo de operación no intermitente; es decir, en modo de conducción continua. El ciclo de trabajo es independiente de la frecuencia de conmutación. El período T normalmente se encuentra entre 20 µs (50 kHz) y 330 ns (3 MHz). Si los valores de voltaje de entrada y voltaje de salida son iguales, se necesita un ciclo de trabajo de 1. Esto significa que solo hay un tiempo de encendido y no un tiempo de apagado. Sin embargo, esto no es posible con todos los reguladores de conmutación. En la Figura 1, el MOSFET de lado alto tendría que estar continuamente encendido para esto. Si este interruptor está diseñado como un MOSFET de canal N, necesita un voltaje más alto en la puerta que el voltaje de entrada del circuito para funcionar. Si hay un cierto tiempo de apagado después de cada tiempo de encendido, como es el caso de un ciclo de trabajo de < 1, se puede generar bastante fácilmente un voltaje más alto que el voltaje de suministro de acuerdo con el principio de la bomba de carga. Sin embargo, esto no es posible con un ciclo de trabajo del 100 %. Por lo tanto, para los reguladores de conmutación con capacidades de ciclo de trabajo del 100 %, se deben implementar bombas de carga elaboradas que actúen independientemente de los MOSFET del regulador de conmutación o se debe diseñar el interruptor del lado alto que se muestra en la Figura 1 como un MOSFET de canal P. Ambos también dan como resultado un esfuerzo y un costo adicional.

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Figura 2. Representación en el dominio del tiempo de la conmutación en un regulador de conmutación reductor con corriente de bobina en CCM.

La figura 3 muestra un regulador de conmutación, el ADP2370, que permite un ciclo de trabajo del 100 % mediante el uso de un MOSFET de canal P como interruptor del lado alto. Para este tipo de convertidor reductor, el voltaje de entrada puede caer muy cerca del voltaje de salida. Con el interruptor de canal P integrado en el regulador de conmutación, se evitan costos adicionales.

Figura 3. Ejemplo de un regulador de conmutación que permite un ciclo de trabajo del 100 %.

Si una aplicación requiere que el voltaje de entrada pueda caer a un nivel muy cercano al punto de ajuste del voltaje de salida, se debe seleccionar un regulador de conmutación que permita un ciclo de trabajo de 1 o 100%.

Aparte de esta limitación en el ciclo de trabajo, determinada por el interruptor del lado alto de una topología de regulador de conmutación, se imponen otras limitaciones en el ciclo de trabajo. Los consideraremos en un consejo de administración de energía posterior.

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