¿Qué es un bucle caliente?

El término "bucle caliente" es relevante en lo que respecta a los reguladores de conmutación y su compatibilidad electromagnética (CEM). Este tema aparece, en particular, en la optimización del trazado de las trazas en las placas de circuitos impresos. Pero, ¿a qué se refiere exactamente un bucle caliente?

En los reguladores de conmutación siempre se conmutan las corrientes. Estas corrientes suelen ser relativamente altas. Cada vez que fluye una corriente, genera un campo magnético. Si se conmutan rápidamente altas corrientes, se genera un campo magnético alterno. Además, si las corrientes se conmutan a través de alguna inductancia de traza parásita, se crea un desplazamiento de tensión. La corriente puede acoplarse capacitivamente en las partes adyacentes del circuito y aumentar la radiación de ruido de una fuente de alimentación. En resumen, podemos decir que la principal causa de ruido en una fuente de alimentación conmutada son las corrientes conmutadas. La figura 1 muestra una topología simple de convertidor buck. Todas las líneas que transportan corriente continua se muestran en azul. Todas las líneas que transportan corrientes de conmutación rápidas se muestran en rojo.

Figura 1: Trayectos con corriente continua en azul y corriente conmutada en rojo.

Las rutas rojas de la Figura 1 son las rutas críticas. Se parecen a un bucle de corriente y por eso se denominan bucle. El bucle caliente significa que este bucle es especialmente crítico porque implica corrientes de conmutación rápidas. Si observamos más detenidamente este bucle, podemos ver que en el bucle rojo de la figura 1 nunca fluye una corriente real, ya que los dos interruptores nunca se encienden al mismo tiempo. Es sólo una combinación de líneas individuales por las que fluye la corriente en algunos momentos y no fluye la corriente en otros. En la figura 2, las flechas que muestran la dirección del flujo de corriente se añaden a las líneas de conexión individuales. Además, se dan símbolos que indican en qué momento de un periodo fluye la corriente. En otras ocasiones, no fluye corriente en el conductor.

La tabla 1 muestra cuándo cada trazo rojo de la figura 2 está conduciendo corriente y cuándo no. Durante el tiempo de encendido del ciclo de trabajo del regulador buck, el interruptor del lado alto está encendido, el del lado bajo está apagado, y vemos que la corriente fluye desde el condensador de entrada, a través del interruptor del lado alto, pero no fluye corriente a través del interruptor del lado bajo. Durante el tiempo de desconexión del ciclo de trabajo, vemos que la corriente fluye a través del interruptor del lado bajo (desde tierra hasta el nodo del interruptor) y no hay corriente en las otras tres trazas rojas.

Tabla 1. Estado de los interruptores del lado alto y bajo en relación con el ciclo de trabajo del regulador Buck
Ciclo de trabajo del regulador BuckSímbolo de la figura 2Interruptor del lado altoInterruptor lado bajo
En su momentota1EnFuera de
Tiempo de esperata2Fuera deEn

Figura 2. Diferentes caminos con diferentes direcciones de flujo de corriente en un bucle caliente.

En la figura 2 se puede ver fácilmente que un bucle caliente no es un bucle de corriente independiente, sino sólo un bucle de corriente virtual compuesto por los componentes de dos bucles de corriente reales.

La figura 3 muestra los bucles de corriente reales en los que se basa el circuito. Un bucle de corriente se muestra en azul y otro en verde. Se producen viajes de ida y vuelta entre estos bucles de corriente completos; sin embargo, en algunas trayectorias las corrientes fluyen en la misma dirección en ambos bucles de corriente, por lo que se solapan para formar una corriente continua y, por tanto, no son críticas con respecto a la CEM. Estos caminos no se llaman bucles calientes.

Figura 3. Los bucles de corriente reales que conducen a un llamado bucle caliente.

Los bucles calientes en los reguladores de conmutación difieren según la topología del regulador de conmutación. Deben diseñarse lo más estrechos y compactos posible para minimizar el ruido generado y su transmisión. El interruptor silencioso® 2 de Analog Devices hace que los bucles calientes críticos sean lo más pequeños posible, integrando los condensadores de entrada en el paquete del CI. Además, al dividir el bucle caliente en dos formas simétricas, se crean dos campos magnéticos de polaridades opuestas y el ruido radiado se anula en gran medida. Un ejemplo de regulador de conmutación que utiliza esta tecnología es el LT8609S de Power by Linear.

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