Los convertidores síncronos boost proporcionan alta tensión sin calor

Los LTC3813 y LTC3814-5 reducen el tamaño de los convertidores boost de alto voltaje y alta potencia al incorporar funciones de ahorro de calor que eliminan la necesidad de grandes componentes y disipadores de calor. En particular, dos características reducen significativamente las pérdidas térmicas en comparación con otras soluciones de refuerzo de alta potencia:

• El accionamiento sincrónico elimina las altas pérdidas de potencia en el diodo a altas corrientes de salida
• Los potentes controladores de puerta internos reducen las pérdidas de conmutación a altas tensiones de salida.

El LTC3813 puede regular tensiones de salida de hasta 100 V, mientras que el LTC3814-5 es adecuado para aplicaciones de hasta 60 V. Ambos utilizan una arquitectura de control del modo de corriente de pico de tiempo constante. El control del modo de corriente permite vigilar estrechamente la corriente del inductor ciclo a ciclo y el tiempo de permanencia constante permite relaciones de conversión elevadas, como 7V de entrada a 100V de salida a 250kHz

A medida que aumenta la corriente de carga, los convertidores boost síncronos tienen una ventaja significativa sobre los no síncronos, debido a la baja disipación de potencia del MOSFET síncrono en comparación con el diodo boost de un convertidor no síncrono. Por ejemplo, una carga de salida de 5 A disipa 5 A - 0,5 V = 2,5 W en el diodo de un convertidor no síncrono. Esta elevada disipación de energía requiere un tamaño de envase grande (por ejemplo, D²PAK) y un disipador térmico, lo que añade complejidad, coste y superficie a la fuente de alimentación. En cambio, un convertidor síncrono que utilice un MOSFET típico de 10mΩ sólo disiparía (5A)² - 0,01Ω = 0,25W. Así, el MOSFET síncrono sólo necesita un pequeño encapsulado de tamaño SO8 y ningún disipador de calor para transportar la misma corriente.

Sin un disipador de calor, la corriente de carga máxima de un convertidor boost no síncrono está limitada por la disipación de potencia del diodo boost. Suponiendo una resistencia térmica de 50°C/W en la placa de circuito impreso donde está montado el diodo boost, las curvas de reducción de corriente continua hacia delante de un diodo Schottky atípico de 5A muestran que, a una temperatura ambiente de 50°C, la corriente máxima que puede soportar el diodo es de unos 3A.

Además de la conversión sincrónica, el LTC3813 y el LTC3814-5 ofrecen muchas características adicionales para un convertidor boost de alto rendimiento. No R_SENTIDO^™ la detección de corriente utiliza la caída de tensión en el MOSFET inferior para eliminar la necesidad de una resistencia de detección, lo que ahorra costes y simplifica el diseño de la placa. Para las aplicaciones que requieren un límite de corriente más preciso, el LTC3813 puede acomodar una resistencia de detección para una mayor precisión

El tiempo de desconexión es programable con una resistencia externa y, con un divisor resistivo adicional de V_EN a la V_OFFse puede compensar por los cambios de tensión de entrada para mantener la frecuencia relativamente constante en un amplio rango de alimentación. Se pueden elegir tiempos de permanencia tan bajos como 100ns para proporcionar una alta V_OUT/V_EN ratios de aceleración. Para ciclos de trabajo bajos, la relación de aceleración está limitada por el tiempo mínimo de encendido de 350 ns del MOSFET inferior.

Un amplificador de error de gran ancho de banda proporciona una respuesta rápida a los transitorios de la línea y la carga, y una referencia precisa de 0,8 V, ±0,5% (de 0 °C a 85 °C) proporciona una tensión de salida de gran precisión. Un comparador interno de bloqueo por subtensión supervisa la tensión de alimentación de los controladores y los desconecta si la tensión de alimentación cae por debajo de un umbral de seguridad para los MOSFET de potencia (6,2 V para el LTC3813 y 4,2 V para el LTC3814-5).El LTC3813 también proporciona un pin de bloqueo por subtensión en la alimentación de entrada que es programable con un divisor resistivo. Por último, el LTC3813 también tiene un bucle de bloqueo de fase para la sincronización del reloj externo en aplicaciones sensibles al ruido.

Una clavija de alimentación, un límite de corriente de inductor preciso ciclo a ciclo y una protección contra sobretensiones son características adicionales de protección contra fallos. El arranque suave programable garantiza que el condensador de salida se eleve de forma controlada en el arranque, sin sobrepasar los límites.

El LTC3814-5 ofrece un conjunto de características simplificadas en un encapsulado más pequeño y cómodo (TSSOP de 16 patillas mejorado térmicamente). El LTC3814-5 tiene una tensión de salida máxima de 60 V y ofrece todas las características del LTC3813, excepto el UVLO de la alimentación de entrada y la sincronización del reloj externo.

Como las pérdidas de conmutación son proporcionales al cuadrado de la tensión de salida, estas pérdidas pueden dominar en aplicaciones de alta tensión de salida con un accionamiento de puerta inadecuado. Los LTC3813 y 3814-5 tienen potentes controladores de puerta de 1Ω que minimizan las pérdidas de transición, incluso cuando se utilizan varios MOSFET para aplicaciones de alta corriente. Los controladores síncronos de doble canal N, combinados con potentes controladores, permiten una eficiencia de conversión de potencia muy alta (ver Figuras 3 y 7). El LTC3813 utiliza un driver flotante de alto voltaje para accionar el MOSFET síncrono a tensiones de salida de hasta 100V (60V para el LTC3814-5).

El LTC3813 está optimizado para accionar MOSFETs de 100V, que suelen tener un valor nominal de V_GS de 6V o más. Por lo tanto, el LTC3813 tiene un bloqueo de subtensión interno que mantiene los controladores desenergizados hasta que la alimentación del controlador sea superior a 6,2 V, con 500 mV de histéresis. El LTC3814-5 está optimizado para accionar MOSFETs de nivel lógico, que tienen un valor nominal de V_GS de 4,5V y esta versión tiene un umbral interno de bloqueo por subtensión de 4,2V con histéresis de 500mV.

El circuito de control interno del LTC3813 y los controladores de los MOSFET superior e inferior funcionan con una tensión de alimentación de entre 6,2V y 14V (de 4,2V a 14V para el LTC3814-5). Si la tensión de alimentación de entrada u otra fuente de alimentación disponible está dentro de este rango de tensión, puede utilizarse para alimentar el CI/conductor (véase la figura 1a). Si no se dispone de una alimentación en este rango, se puede añadir un único MOSFET externo de baja corriente y una resistencia para generar fácilmente una alimentación regulada de 10V (5,5V para el LTC3814-5) para el CI/conductor utilizando el circuito regulador lineal interno (Figura 1b). El uso de un elemento de paso externo tiene la ventaja de reducir la disipación de potencia en el CI y también permite que el transistor con el BV adecuado_DSS y la potencia nominal de la aplicación: una pequeña caja SOT23 suele ser suficiente.

La figura 1c muestra una solución para aplicaciones que requieren que el convertidor elevador siga funcionando cuando la tensión de entrada ha caído por debajo del umbral de subtensión del CI. El coste es una eficiencia ligeramente inferior. En este circuito, el regulador se conecta a la salida en lugar de a la entrada. El diodo D1 alimenta el CI hasta que la tensión de salida es lo suficientemente alta como para generar energía para el chip desde la salida. Cuando la salida está regulada, la tensión mínima de alimentación de la entrada sólo está limitada por la corriente máxima del inductor:

Como la pérdida de potencia del CI/Controlador es proporcional a la tensión de salida en este circuito, sólo es práctico para tensiones de salida de ~30V o menos.

El circuito mostrado en la Figura 2 genera una tensión de salida de 24V a 4A a partir de una tensión de entrada de 5V-14V utilizando el LTC3814-5. La conversión sincrónica permite utilizar dos pequeños MOSFETs de potencia Si7848DP y da lugar a la alta eficiencia de conversión que se muestra en la Figura 3. Como la alimentación de entrada está dentro del rango de funcionamiento de 4,2V-14V del LTC3814-5, puede conectarse directamente al pin de alimentación del CI. NDRV y EXTVCC están en cortocircuito con INTVCC para desactivar el regulador INTVCC.

Se conecta una resistencia de 403kΩ desde V_OUT en el I_OFF para ajustar la frecuencia a 250kHz. Conectar la resistencia a la salida (en lugar de una tensión de alimentación constante) tiene la ventaja de mantener la frecuencia constante mientras se pone en marcha la salida. Conectando el divisor resistivo de V_EN a la V_OFF el pin establece el rango de alimentación de entrada para el funcionamiento a frecuencia constante de 5V a 12V. El valor V_RNG está conectada a V_EN para ajustar la tensión de detección máxima a 200mV. Esto establece el valor nominal de la corriente de pico del inductor en 200mV/0,01Ω = 20A utilizando el MOSFET Si7848DP y, tras tener en cuenta las variaciones de los parámetros y la magnitud de la ondulación del inductor, proporciona una carga máxima de 2A a V_EN = 5V y 4A a V_EN = 12V. Las figuras 4 y 5 ilustran el notable rendimiento de la fuente de alimentación en cuanto a transitorios de carga y sobrecorriente.

El circuito mostrado en la Figura 6 genera una tensión de salida de 50V a partir de una entrada de 12V-40V utilizando el LTC3813. Como la tensión de entrada máxima es superior a 14V, el LTC3813 produce una tensión regulada de 10V a partir de la alimentación de entrada utilizando un MOSFET ZXMN10A07F en un SOT23. Se conecta un divisor resistivo desde V_EN al pin UVIN para establecer el umbral de bloqueo por subtensión a 10V en la alimentación de entrada. Esto garantiza que el convertidor elevador no se bloquee al arrancar cuando se alimenta de una fuente de corriente limitada mientras la salida está a plena carga. Su rendimiento se muestra en la Figura 7.

La arquitectura sincrónica y la capacidad de alta tensión del LTC3813 y el LTC3814-5 los hacen ideales para los convertidores boost de alta tensión y alta potencia. Reducen la complejidad al eliminar la necesidad de un gran paquete de diodos y un disipador de calor para disipar su elevada pérdida de potencia. La frecuencia y el límite de corriente programables, el amplio rango de tensión de salida y la capacidad de accionar MOSFETs de nivel lógico o de umbral superior proporcionan la máxima flexibilidad para su uso en diversas aplicaciones de refuerzo. Otras características, como los potentes controladores de puerta para minimizar las pérdidas de transición, la referencia de tensión precisa, el límite de corriente preciso ciclo a ciclo y un controlador de alimentación de polarización integrado, hacen que los LTC3813 y LTC3814-5 sean la elección obvia para los convertidores boost de alto rendimiento y alta potencia.