Cómo aplicar con éxito los reguladores buck DC-to-DC

Los teléfonos inteligentes, las tabletas, las cámaras digitales, los sistemas de navegación, los equipos médicos y otros dispositivos portátiles de baja potencia suelen contener múltiples circuitos integrados fabricados con diferentes procesos de semiconductores. Estos dispositivos suelen necesitar varias tensiones de alimentación independientes, cada una de las cuales suele ser diferente de la tensión proporcionada por la batería o la fuente de alimentación de CA externa.

La figura 1 muestra un típico sistema de baja potencia que funciona con una batería de iones de litio. La salida utilizable de la batería oscila entre 3 V y 4,2 V, mientras que los circuitos integrados necesitan 0,8 V, 1,8 V, 2,5 V y 2,8 V. Una forma sencilla de reducir la tensión de la batería a una tensión continua más baja es utilizar un regulador de baja caída (LDO). Por desgracia, la potencia que no se suministra a la carga se pierde en forma de calor, lo que hace que los LDO sean ineficaces cuando V_EN es mucho mayor que V_OUT. Una alternativa popular, el convertidor de conmutaciónel convertidor de conmutación almacena alternativamente energía en el campo magnético de un inductor, y libera la energía a la carga con una tensión diferente. Sus bajas pérdidas lo convierten en la mejor opción para la alta eficiencia Bucko convertidores reductores-aquí cubierto - proporcionar un voltaje más bajo Impulsaro paso a paso los convertidores elevadores -de los que hablaremos en un artículo posterior- proporcionan una tensión de salida mayor. Los convertidores de conmutación que incluyen FETs internos como conmutadores se llaman reguladores de conmutaciónmientras que los dispositivos que requieren FETs externos se denominan controladores de conmutación. La mayoría de los sistemas de bajo consumo utilizan tanto LDO como convertidores de conmutación para cumplir los objetivos de coste y rendimiento.

Los reguladores Buck constan de dos interruptores, dos condensadores y un inductor, como se muestra en la figura 2. Los mandos de los interruptores no superpuestos garantizan que sólo se active un interruptor a la vez para evitar "pases de corriente" no deseados En la fase 1, el interruptor B está abierto y el interruptor A está cerrado. El inductor se conecta a V_ENpor lo tanto, la corriente cambia de V_EN a la carga. La corriente aumenta debido a la tensión positiva a través del inductor. En la fase 2, el interruptor A está abierto y el B cerrado. El inductor está conectado a tierra, por lo que la corriente fluye de la tierra a la carga. La corriente disminuye debido a la tensión negativa a través del inductor, y la energía almacenada en el inductor se descarga en la carga.

Ten en cuenta que el funcionamiento del regulador de conmutación puede ser continuo o discontinuo. Al operar en modo de conducción continua (CCM), la corriente del inductor nunca llega a cero; cuando funciona en modo de conducción discontinua (DCM), la corriente del inductor puede caer a cero. Los convertidores buck de baja potencia rara vez funcionan en DCM. El sitio ondulación de la corrienterepresentado por ΔI_L en la figura 2, se diseña generalmente para un 20-50% de la corriente de carga nominal.

En la figura 3, el interruptor A y el interruptor B se han implementado con interruptores PFET y NFET, respectivamente, para crear un regulador buck síncrono. El término sincrónica indica que se utiliza un FET como interruptor inferior. Los reguladores Buck que utilizan un diodo Schottky en lugar del interruptor inferior se definen como asíncronos (o no síncronos). Para manejar bajas potencias, los reguladores buck síncronos son más eficientes porque el FET tiene una menor caída de tensión que un diodo Schottky. Sin embargo, la eficiencia del convertidor síncrono a baja carga se verá comprometida si el FET inferior no se libera cuando la corriente del inductor llega a cero, y el circuito de control adicional aumenta la complejidad y el coste del CI.

Los actuales reguladores buck síncronos de baja potencia utilizan la modulación por ancho de pulsos (PWM) como modo de funcionamiento principal. El PWM mantiene la frecuencia constante y varía la anchura del pulso (t_EN) para ajustar la tensión de salida. La potencia media es proporcional al ciclo de trabajo, Dlo que hace que sea una forma eficiente de suministrar energía a una carga.

Los interruptores FET se controlan mediante un controlador de ancho de pulso, que utiliza la retroalimentación de tensión o corriente en un bucle de control para regular la tensión de salida en respuesta a los cambios de carga. Los convertidores buck de baja potencia suelen funcionar entre 1 MHz y 6 MHz. Las frecuencias de conmutación más altas permiten utilizar inductores más pequeños, pero la eficiencia disminuye aproximadamente un 2% por cada duplicación de la frecuencia de conmutación.

El funcionamiento PWM no siempre mejora la eficiencia del sistema a bajas cargas. Considera, por ejemplo, el circuito de alimentación de una tarjeta gráfica. A medida que cambia el contenido del vídeo, también cambia la corriente de carga en el convertidor Buck que alimenta el procesador gráfico. El funcionamiento continuo de PWM puede manejar una amplia gama de corrientes de carga, pero la eficiencia se degrada rápidamente con cargas bajas porque la potencia requerida por el controlador consume un mayor porcentaje de la potencia total suministrada a la carga. Para las aplicaciones portátiles, los reguladores buck incorporan técnicas adicionales de ahorro de energía, como la modulación de frecuencia de impulsos (PFM), el salto de impulsos o una combinación de ambos.

Analog Devices define el funcionamiento eficiente con carga ligera como sigue modo de ahorro de energía (PSM). Cuando se activa el modo de ahorro de energía, un cambio inducido en el nivel de control PWM hace que la tensión de salida aumente hasta alcanzar aproximadamente un 1,5% por encima del nivel de control PWM, momento en el que el funcionamiento PWM se detiene: ambos interruptores de potencia se apagan y ociosa ha entrado en el modo. C_OUT se deja descargar hasta que V_OUT cae a la tensión de control PWM. A continuación, el dispositivo acciona el inductor, de modo que V_OUT para alcanzar de nuevo el umbral superior. Este proceso se repite mientras la corriente de carga esté por debajo del umbral de corriente de ahorro de energía.

El ADP2138 es un convertidor reductor de CC a CC compacto de 800 mA y 3 MHz. La figura 4 muestra un circuito de aplicación típico. La figura 5 muestra la mejora de la eficiencia entre el funcionamiento PWM forzado y el funcionamiento PWM/PSM automático. Debido a la frecuencia variable, las interferencias PSM pueden ser difíciles de filtrar, por lo que muchos controladores buck incluyen una clavija MODE (mostrada en la Figura 4) que permite al usuario forzar el funcionamiento continuo de PWM o activar el funcionamiento automático de PWM/PSM. La clavija MODE puede conectarse para cualquiera de los dos modos de funcionamiento o cambiarse dinámicamente cuando sea necesario para ahorrar energía.

Los reguladores Buck mejoran la eficiencia

La mejora de la eficiencia permite que la batería funcione durante más tiempo antes de tener que ser sustituida o recargada, una característica muy deseable en los nuevos diseños de dispositivos portátiles. Por ejemplo, una batería recargable de iones de litio puede suministrar una carga de 500 mA a 0,8 V utilizando el LDO ADP125, como se muestra en la Figura 6. La eficiencia del LDO, V_OUT/V_EN × 100%, o 0,8/4,2, es sólo el 19%. Los LDO no pueden almacenar la energía no utilizada, por lo que el 81% (1,7 W) de la energía no suministrada a la carga se disipa en forma de calor en el LDO, lo que podría calentar rápidamente un dispositivo portátil. El uso del regulador de conmutación ADP2138, que ofrece una eficiencia de funcionamiento del 82% con una entrada de 4,2 V y una salida de 0,8 V, proporciona una eficiencia más de cuatro veces superior y reduce el aumento de temperatura del dispositivo portátil. Estas mejoras sustanciales en la eficiencia del sistema han llevado al diseño de muchos reguladores conmutados en dispositivos portátiles.

Especificaciones y definiciones clave de los convertidores Buck

Rango de tensión de entrada : El rango de tensión de entrada de un convertidor buck determina la menor tensión de alimentación utilizable. Las especificaciones pueden indicar un amplio rango de tensión de entrada, pero V_EN debe ser mayor que V_OUT para un funcionamiento eficaz. Por ejemplo, una tensión de salida regulada de 3,3 V requiere una tensión de entrada superior a 3,8 V.

Corriente de tierra o de reposo I_Q es la corriente continua de polarización que no llega a la carga. Dispositivos con I_Q para proporcionar una mayor eficiencia. I_Q sin embargo, se puede especificar para muchas condiciones, incluyendo la conmutación fuera depor tanto, lo mejor es examinar los datos reales de eficiencia de funcionamiento a tensiones y corrientes de carga específicas para determinar el mejor regulador buck para una aplicación.

Detención de la corriente La corriente de entrada consumida cuando el pin de habilitación se ha puesto en fuera de. Esta corriente, normalmente muy por debajo de 1 µA para los reguladores buck de baja potencia, es importante durante los largos periodos de espera de la batería cuando el dispositivo portátil está en modo de espera.

Precisión de la tensión de salida Los convertidores buck de Analog Devices están diseñados para una alta precisión de la tensión de salida. Los dispositivos de salida fija se ajustan en fábrica a un valor mejor que ±2% a 25°C. La precisión de la tensión de salida se especifica en los rangos de temperatura de funcionamiento, tensión de entrada y corriente de carga, con inexactitudes especificadas en el peor de los casos de ±2% a 25°Cx%.

Control de la línea La regulación de línea es la variación de la tensión de salida provocada por una variación de la tensión de entrada, a la carga nominal.

Regulación de la carga : La regulación de la carga es la variación de la tensión de salida para una variación de la corriente de salida. La mayoría de los reguladores buck pueden mantener la tensión de salida esencialmente constante para una corriente de carga que cambia lentamente.

Transitorios de carga : Pueden producirse errores transitorios cuando la corriente de carga cambia rápidamente de baja a alta, lo que provoca el cambio de modo entre el funcionamiento PFM y PWM o de PWM a PFM. Los transitorios de carga no siempre se especifican, pero la mayoría de las hojas de datos contienen gráficos de respuestas transitorias de carga en diferentes condiciones de funcionamiento.

Límite actual Los reguladores Buck, como el ADP2138, incorporan un circuito de protección para limitar la cantidad de corriente positiva que circula por el interruptor PFET y el rectificador síncrono. El control de corriente positiva limita la cantidad de corriente que puede fluir de la entrada a la salida. La limitación de corriente negativa impide que la corriente del inductor invierta su sentido y salga de la carga.

Arranque suave Es importante que los reguladores buck tengan una función interna de arranque suave que ramifique la tensión de salida de forma controlada en el arranque para limitar la corriente de entrada. Esto evita que la tensión de entrada de una batería o de una fuente de alimentación de alta impedancia caiga cuando se conecta a la entrada del inversor. Una vez que la unidad está activadoel circuito interno inicia el ciclo de alimentación.

Tiempo de puesta en marcha : El tiempo de inicio es el tiempo que transcurre entre el flanco de subida de la señal de activación y el momento en que V_OUT alcanza el 90% de su valor nominal. Esta prueba se suele realizar con V_EN aplicada y la clavija de activación conmutada de fuera de à en. En los casos en los que la habilitación está conectada a V_ENcuando V_EN se cambia de desactivado à enel tiempo de puesta en marcha puede aumentar considerablemente porque el bucle de control tarda en estabilizarse. El tiempo de arranque de un regulador buck es importante para las aplicaciones en las que el regulador se enciende y apaga con frecuencia para ahorrar energía en los sistemas portátiles.

Apagado térmico (TSD): Si la temperatura de la unión supera el límite especificado, el circuito de desconexión térmica apaga el regulador. Las temperaturas extremas de las uniones pueden ser el resultado de un funcionamiento con alta corriente, una mala refrigeración de la placa de circuito o una temperatura ambiente elevada. Se incluye una histéresis en el circuito de protección para evitar el retorno al funcionamiento normal hasta que la temperatura en el chip caiga por debajo del límite preestablecido.

funcionamiento del 100% del ciclo de trabajo Con un descenso de V_EN o un aumento de I_CARGAel controlador buck alcanza un límite en el que el interruptor PFET está encendido el 100% del tiempo y V_OUT cae por debajo de la tensión de salida deseada. En este límite, el ADP2138 pasa suavemente a un modo en el que el interruptor PFET permanece encendido el 100% del tiempo. Cuando las condiciones de entrada cambian, el dispositivo reinicia inmediatamente la regulación PWM sin superar la V_OUT.

Interruptor de descarga : En algunos sistemas, si la carga es muy ligera, la salida de un regulador buck puede permanecer alta durante algún tiempo después de que el sistema entre dormir modo. Entonces, si el sistema inicia la secuencia de encendido antes de que la tensión de salida se haya descargado, el sistema puede bloquearse o los dispositivos pueden resultar dañados. El regulador buck ADP2139 utiliza una resistencia conmutada incorporada (normalmente de 100 Ω) para descargar la salida cuando el pin de habilitación pasa a nivel bajo o cuando el dispositivo entra en bloqueo por subtensión o apagado térmico.

Enclavamiento de baja tensión: El bloqueo por baja tensión (UVLO) garantiza que sólo se suministra tensión a la carga cuando la tensión de entrada del sistema está por encima del umbral especificado. El UVLO es importante porque permite que el dispositivo se encienda sólo cuando la tensión de entrada está en el valor requerido para un funcionamiento estable o por encima de él.

Conclusión

Los reguladores buck de bajo consumo desmitifican el diseño de los convertidores DC-DC de conmutación. Analog Devices ofrece una familia de reguladores buck altamente integrados que son robustos, fáciles de usar y rentables, y que requieren un mínimo de componentes externos para lograr una alta eficiencia de funcionamiento. Los diseñadores de sistemas pueden utilizar los cálculos de diseño presentados en la sección de aplicaciones de la hoja de datos o utilizar el programa ADIsimPower^™ hERRAMIENTA DE DISEÑO. Las guías de selección, las hojas de datos y las notas de aplicación de los controladores buck de Analog Devices están disponibles en www.analog.com/en/power-management/products/index.html. Para más información, ponte en contacto con un ingeniero de aplicaciones de Analog Devices.

APÉNDICE

los convertidores DC-DC síncronos de 3 MHz alimentan cargas de 800 mA

Los convertidores DC-DC reductores ADP2138 y ADP2139 están optimizados para su uso en teléfonos inalámbricos, reproductores multimedia personales, cámaras digitales y otros dispositivos portátiles. Pueden funcionar en modo de modulación de anchura de impulsos (PWM) forzado para conseguir un rizado mínimo, o pueden cambiar automáticamente entre el modo PWM y el de ahorro de energía para maximizar la eficiencia a bajas cargas. El rango de entrada de 2,3 V a 5,5 V permite el uso de fuentes de alimentación estándar, como pilas de litio, alcalinas y de NiMH. Hay disponibles varias opciones de tensión de salida fija de 0,8 V a 3,3 V, con una capacidad de carga de 800 mA y una precisión del 2%. Un interruptor de potencia interno y un rectificador síncrono mejoran la eficiencia y minimizan el número de componentes externos. El ADP2139, mostrado en la figura A, añade un interruptor de descarga interno. Disponibles en paquetes WLCSP compactos de 1 mm × 1,5 mm, de 6 bolas, los ADP2138 y ADP2139 están especificados de -40°C a +125°C y tienen un precio de 0,90 dólares por 1000.

Referencias

(Puedes encontrar información sobre todos los componentes de ADI en www.analog.com.)

Lenk, John D Diseño simplificado de fuentes de alimentación conmutadas. Elsevier. 1996. ISBN 13: 978-0-7506-9821-4.

Marasco, K. "Cómo aplicar con éxito los controladores de baja caída" Diálogo analógico. Volumen 43, número 3. 2009.