1.convertidor DC/DC Buck-Boost monolítico de 5A con una eficiencia de hasta el 95% con rangos de tensión de entrada y salida de 2,5V-15V

Las baterías multicelulares de alta capacidad son cada vez más comunes en dispositivos portátiles e instrumentos industriales que reciben energía de diversas fuentes. Para maximizar el tiempo de funcionamiento de la batería y soportar la variedad de fuentes de energía, los reguladores de tensión en los sistemas multifuente deben ser capaces de mantener una tensión de salida constante aunque la fuente de tensión de entrada esté por encima, por debajo o sea igual a la de salida. Esto se puede conseguir utilizando dos convertidores de potencia separados con dos circuitos integrados de control. Una solución mejor es utilizar un único convertidor DC/DC buck-boost, que ofrece un diseño más pequeño, sencillo y eficiente, atributos que son de vital importancia en los dispositivos portátiles.

El LTC3111 es un convertidor buck-boost monolítico con rangos de tensión de entrada y salida de 2,5V a 15V y una capacidad de corriente de salida de 1,5A. Puede convertir diversas fuentes de energía, como baterías de iones de litio simples o múltiples, baterías de plomo, bancos de condensadores, cables USB o adaptadores de pared.

Además de su amplio rango de funcionamiento, el LTC3111 cuenta con la arquitectura de control PWM buck-boost de bajo ruido patentada por Linear Technology, que elimina eficazmente las fluctuaciones y la EMI que pueden producirse al cruzar el límite entre el funcionamiento de subida y bajada. Esto reduce o elimina la necesidad de un costoso filtrado o apantallamiento de los circuitos de RF o de conversión de datos sensibles al ruido en el sistema. Modo de ráfaga seleccionable® esta operación amplía el tiempo de funcionamiento cuando los dispositivos alimentados por batería están en espera, al reducir significativamente la corriente de reposo del convertidor de potencia.

Un umbral de funcionamiento preciso permite programar con exactitud la tensión umbral de encendido del convertidor. Las funciones de protección contra fallos incorporadas incluyen: límite de corriente, desconexión térmica y protección contra cortocircuitos, lo que permite un funcionamiento robusto en entornos difíciles. Para las aplicaciones en las que el tamaño de los componentes es crítico, la frecuencia de conmutación por defecto de 800kHz puede sincronizarse hasta 1,5MHz.

El convertidor basado en el LTC3111 que se muestra en la Figura 1 puede generar 18W de potencia con una salida de 12V. La huella de la solución es inferior a 180 mm2el diseño es más compacto que un buck-boost basado en un controlador y mucho más eficiente que un complejo diseño de convertidor SEPIC de doble inductor a niveles de potencia similares. Los principales componentes externos se limitan a los condensadores de filtro de entrada y salida y al inductor de potencia. El LTC3111 se ofrece en un encapsulado DFN de 4 mm × 3 mm o en un encapsulado MSOP de 16 capas mejorado térmicamente.

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Figura 1. Solución de 18W basada en el LTC3111.

El pin RUN del LTC3111 puede utilizarse para activar/desactivar el convertidor mediante selección digital o para establecer un umbral de bloqueo por subtensión (UVLO) preciso y programable por el usuario, mediante un divisor resistivo de VEN a tierra. El umbral de RUN del LTC3111 de 1,2V (±5% sobre la temperatura) permite personalizar la tensión umbral de encendido del inversor. Una vez activada, se introduce una histéresis de 120mV en el pin RUN, que requiere que la tensión de entrada de la fuente caiga un 10% antes de desactivar la conversión de energía.

La figura 2 muestra un circuito de aplicación en el que se utiliza el umbral preciso de la patilla RUN para activar/desactivar el convertidor LTC3111 cuando se alimenta con una batería de iones de litio de una, dos o tres celdas. Para el caso de una sola célula, R es de 267k, configurando el pin RUN del LTC3111 para que se encienda cuando la tensión de entrada sea superior a 3,3V y se apague cuando la tensión de entrada sea inferior a 3V.

Figura 2. En esta solución se pueden utilizar una, dos y tres células de iones de litio con la precisa función de umbral RUN del LTC3111.

Esta técnica puede aplicarse a diseños de dos o tres células en serie, cambiando el valor de R, como se indica en la tabla de la figura 2. La respuesta de la tensión de salida a una rampa lenta de VEN para el caso de una sola célula se muestra en la Figura 3. VOUT en la configuración de 1 célula se enciende cuando la tensión de entrada alcanza los 3,3V y se apaga a los 3V. Del mismo modo, este gráfico se puede escalar para los casos de 2 y 3 celdas, en los que los umbrales de encendido/apagado son 6,6V/6V y 9,9V/9V respectivamente. La función Marcha precisa también puede aplicarse a fuentes que deban limitarse a una tensión de entrada mínima, como una batería de condensadores, baterías de plomo o de NiCd.

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Figura 3. Respuesta de la tensión de entrada en rampa del LTC3111 utilizando la ejecución precisa para una solución de iones de litio.

En la Figura 4 se muestran las curvas de eficiencia de los diseños de celdas de iones de litio simples, dobles y triples que funcionan a sus voltajes típicos. Se consiguen eficiencias máximas superiores al 90% para las tres tensiones de la batería. Ten en cuenta que la capacidad de corriente de carga máxima para una salida de 5V disminuye cuando la tensión de entrada es inferior a 6V. La hoja de datos del LTC3111 proporciona curvas de rendimiento que muestran la capacidad máxima de corriente de salida en función de la tensión de entrada en modo PWM y Ráfaga para varias tensiones de salida, con el fin de determinar si la carga puede ser soportada en un rango de entrada específico.

Figura 4. Eficiencia de salida de 5V de una, dos y tres células de iones de litio.

El amplio rango de funcionamiento del LTC3111 facilita la alimentación de dispositivos desde múltiples fuentes de entrada. La figura 5 muestra una aplicación en la que el controlador PowerPath del LTC4412 (paquete SOT-23) selecciona la mayor de las dos fuentes de entrada. El LTC4412 mantiene una tensión directa de 20 mV en el MOSFET de canal P seleccionado, lo que minimiza las pérdidas. En este circuito, el LTC4412 conmuta la entrada del LTC3111 a la mayor de las baterías de iones de litio de 7,2 V o a un adaptador de pared de 12 V.

Figura 5: Ruta de alimentación del LTC4412 el controlador selecciona la entrada de tensión más alta para alimentar el convertidor LTC3111.

Las curvas de eficiencia frente a la corriente de carga para la salida de 3,3 V, basadas en las dos fuentes de entrada, se muestran en la Figura 6. Se alcanzan eficiencias máximas superiores al 89%. El funcionamiento en modo ráfaga seleccionable con una corriente de espera típica de 49µA amplía la alta eficiencia a dos décadas de corriente de carga.

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Figura 6. Eficiencia del LTC3111 en función de la corriente de carga VOUT = 3,3V, VEN = 7,2V y 12V.

El LTC3111 incorpora circuitos para minimizar la variación de la ganancia del bucle, mejorando así la respuesta transitoria de la línea. Como se muestra en la figura 7, VOUT se mantiene a menos de 50mV, o el 1,5%, durante la transición de subida/bajada de 20µs con un condensador de salida de 22µF y una carga de 1A en modo reductor.

Figura 7. Respuesta de la línea para VOUT = 3,3V, VEN escalado de 7,2V a 12V.

Para aplicaciones como el control de motores, la iluminación o la comprobación del margen de potencia, el LTC3111 puede configurarse como una fuente de tensión variable. Esto puede lograrse de varias maneras. La figura 8 muestra un método: añadir una resistencia sumadora entre el pin FB y una tensión de control (VCONTROL).

Figura 8. LTC3111 configurado como fuente de alimentación de salida variable.

La tensión de salida programada se puede calcular con la siguiente ecuación:

ecuación1

donde R1 es la resistencia conectada entre VOUT y FB, R2 es la resistencia conectada entre FB y tierra y R3 es la resistencia conectada entre FB y VCONTROL.

La figura 9 muestra la respuesta de la tensión de salida de una señal de control con rampa de 0V a 1,2V que funciona a 100Hz. La tensión de salida correspondiente oscila entre 10V y 2,5V, lo que da una ganancia invertida de 6,2 de VCONTROL a VOUT. El control PWM de bajo ruido proporciona una baja distorsión y una reproducción de alta calidad de la señal de entrada.

Figura 9. Respuesta de salida variable con el LTC3111.

Cuando se utiliza el LTC3111 como regulador de tensión de salida variable, la capacidad de corriente de carga máxima del LTC3111 se reduce cuando VOUT > VEN (es decir, cuando la pieza está en modo de refuerzo o de aumento). Como se muestra en la figura 10, la capacidad máxima de corriente de salida se reduce efectivamente por la relación de aumento del convertidor.

Figura 10. Corriente máxima de salida en modo PWM frente a la tensión de salida para VEN = 5V.

Por ejemplo, la capacidad de corriente de salida cuando VOUT = 2VEN es aproximadamente la mitad de la capacidad cuando VOUT = VEN. En el ejemplo de aplicación anterior, se aplica una carga fija de 500 mA a la salida, que la pieza es capaz de suministrar a todas las tensiones de salida. Para garantizar la estabilidad del convertidor, los valores de compensación para esta aplicación se determinan con la mayor relación de refuerzo de VEN = 5V a VOUT = 10V.

El LTC3111 proporciona una conversión buck-boost de bajo ruido para una variedad de aplicaciones que requieren un amplio rango de tensión de entrada o de salida. La capacidad del LTC3111 para manejar eficientemente altas corrientes de carga lo hace ideal para dispositivos hambrientos de energía. El tamaño de la solución y la eficiencia de la conversión se benefician de los interruptores MOSFET internos de canal N de 90mΩ y de los paquetes térmicos mejorados. El funcionamiento en modo ráfaga con baja corriente de reposo amplía la alta eficiencia durante varias décadas de corriente de carga, lo que permite tiempos de funcionamiento más largos en muchas aplicaciones alimentadas por batería.

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