Las limitaciones de espacio en la placa de circuito impreso se eliminan con un convertidor Buck-Boost DC-to-DC monolítico de 2 MHz y un controlador de LED

Introducción

A medida que los dispositivos electrónicos reducen su tamaño, los circuitos que contienen deben hacer lo mismo. Esta tendencia a la miniaturización de los productos es evidente en todas las industrias y crea nuevos retos de diseño para los ingenieros encargados de integrar soluciones en diseños con limitaciones de espacio.

Para cumplir los requisitos de tamaño cada vez más estrictos de los dispositivos electrónicos compactos, los diseñadores de circuitos integrados (CI) están introduciendo componentes externos dentro de sus dispositivos para minimizar el número de componentes externos. Entre los diversos circuitos necesarios para fabricar cualquier dispositivo electrónico, los convertidores CC-CC son tan difíciles de reducir en tamaño como omnipresentes -todo necesita ser alimentado-, ya que los diseñadores de fuentes de alimentación suelen enfrentarse a la realidad de que reducir el tamaño de la solución suele tener un efecto negativo en el rendimiento.

Por ejemplo, una forma de ahorrar mucho espacio en la placa de circuito impreso es utilizar un convertidor DC-DC monolítico que integre dispositivos de conmutación de potencia cuidadosamente seleccionados en el paquete del CI, reduciendo así los componentes externos necesarios a unos pocos dispositivos pasivos. En muchos casos, el diseño compacto resultante conlleva el resultado indeseable de una mayor pérdida de potencia en un espacio más reducido y con un aumento de temperatura mucho mayor en comparación con los diseños de controladores de conmutación de potencia externos. Elegir el convertidor DC-DC monolítico adecuado es fundamental para diseñar un sistema de alimentación compacto pero eficiente, que evite generar niveles de calor problemáticos.

convertidor DC-DC Buck-Boost monolítico con 4 interruptores de 2 MHz y controlador de LED

El LT3942 es uno de los circuitos integrados reguladores buck-boost monolíticos más versátiles de Analog Devices. Este convertidor elevador/descensor responde al reto de crear una solución de convertidor CC-CC flexible y compacta sin sacrificar el rendimiento. El LT3942 integra cuatro interruptores de potencia de 40 V/2 A, dos diodos de accionamiento de compuerta y toda su circuitería de control y driver en un pequeño encapsulado QFN de 4 mm × 5 mm. Con la capacidad de funcionar a una frecuencia de conmutación de hasta 2 MHz, el tamaño de los componentes externos se minimiza, conservando el espacio de la placa y proporcionando un funcionamiento de gran ancho de banda para cualquier convertidor CC/CC.

El LT3942 comparte el mismo esquema de control del modo de corriente de pico utilizado por la familia LT8390A/LT8391A de CI de controladores buck-boost y presenta transiciones sin problemas entre el funcionamiento boost de 2 interruptores, buck-boost de 4 interruptores y buck de 2 interruptores. El convertidor observa y compara sus tensiones de entrada y salida para determinar el modo de funcionamiento correcto. Dado que el PV_ENpV_OUT cambia y fuerza al convertidor a una transición de modo, el LT3942 mantiene la regulación mientras transfiere inteligentemente el control entre los pares de interruptores.

Además de regular la tensión de salida en una variedad de PV_ESpV_OUT en combinación, el LT3942 también puede configurarse para regular la corriente de entrada o de salida para su uso en aplicaciones de regulación de corriente constante. La retroalimentación de la monitorización de la corriente desde la patilla ISMON proporciona una salida de tensión amortiguada proporcional a la corriente medida, lo que permite a los circuitos conectados inspeccionar los niveles de corriente medidos. Esta capacidad de regular la corriente o la tensión hace que el LT3942 sea perfecto para utilizarlo como controlador de LED, cargador de baterías compacto, inversor en miniatura alimentado por paneles solares o regulador de tensión de uso general.

14 V, 1 A Controlador de LED

La figura 1 muestra un circuito de evaluación completo para un controlador de LED compacto basado en el LT3942. Esta solución es capaz de suministrar 1 A a una cadena de cuatro LEDs blancos (hasta 14 V) conectados en serie. El rango máximo de tensión de entrada de la fuente de alimentación es de 7 V a 36 V, con funcionamiento a corriente reducida hasta 4 V, lo que es ideal para fuentes de alimentación de entrada no regulada para automóviles. El LT3942 de esta solución funciona a una frecuencia de conmutación de 2 MHz, lo que permite utilizar inductores y condensadores relativamente pequeños. El resultado es que toda la solución del controlador LED cabe en una placa de 15 mm × 15 mm, con todos los componentes colocados en un lado de la placa, incluido el CI.

Esta solución también se beneficia de un funcionamiento de gran ancho de banda, que permite ajustar rápidamente la corriente de salida. En el modo buck, el LT3942 consigue relaciones de atenuación de hasta 5000:1 utilizando una fuente PWM externa para atenuar los LEDs a 100 Hz sin parpadeo. Si no se dispone de una fuente PWM externa, el LT3942 también puede regularse mediante su función interna de regulación PWM. La regulación interna permite regular hasta 128:1 sin necesidad de una fuente de señal PWM externa, requiriendo sólo una resistencia para ajustar la frecuencia de regulación y una tensión continua para controlar el ciclo de trabajo de la corriente de salida. Como la mayoría de los controladores LED de Power by Linear™, el LT3942 también ofrece regulación analógica aplicando una tensión de corriente continua a la patilla CTRL para una regulación analógica de hasta 20:1. La atenuación analógica y la atenuación PWM pueden combinarse para conseguir ratios de atenuación efectivos más altos que los que puede conseguir cualquiera de los dos métodos por separado.

La modulación de frecuencia de espectro ensanchado reduce los picos de EMI

Para ayudar a crear un sistema de convertidor CC-CC de bajo ruido, el LT3942 incluye una función opcional de modulación de frecuencia de espectro amplio (SSFM). Cuando está activado, el SSFM barre la frecuencia de conmutación entre el valor fijado por la resistencia RT hasta un 25% más de frecuencia de conmutación. Esta acción de barrido reparte las emisiones causadas por la conmutación en un amplio espectro de frecuencias, en lugar de concentrar estas emisiones en bandas estrechas, reduciendo así los picos de EMI en general. El SSFM, cuando se utiliza en combinación con filtros EMI de entrada y salida, puede ayudar a reducir la EMI en una amplia gama de frecuencias, facilitando el diseño de un sistema que cumpla con las normas de emisiones.

regulador de tensión de 12 V, 1 A

El LT3942 no se limita a conducir LEDs. Es un regulador de tensión competente y compacto, muy adecuado para resolver el problema de producir salidas estables a partir de una gran variedad de fuentes de alimentación no reguladas. El diseño del regulador de tensión de 12 V y 1 A que se muestra en la figura 4 es similar a la solución del controlador LED de 14 W de la figura 2, con algunas modificaciones menores. Al igual que la aplicación del controlador de LED, el regulador de voltaje puede mantener la regulación de la salida en un amplio rango de voltaje de entrada, proporcionando una potencia de salida completa a partir de 7 V y manteniendo el funcionamiento a partir de 4 V con una potencia de salida reducida.

Las curvas de eficiencia de la Figura 4 muestran que, incluso cuando funciona a una frecuencia de conmutación de 2 MHz, el regulador LT3942 de 12 V presenta una impresionante eficiencia máxima de casi el 95%, y la mayor parte de su rango de tensión de entrada muestra eficiencias del 85% y superiores. Se mantiene una eficiencia superior al 80% incluso cuando se suministra su salida a una décima parte de su potencia total, lo que demuestra su capacidad de funcionar eficazmente en condiciones de carga ligera.

La función de detección y control de corriente del LT3942 está orientada al control de la atenuación de los LED, pero sirve bien en otras situaciones que requieren tanto la regulación de la tensión como el control de la corriente. Cuando se configura la resistencia de detección en la salida, el LT3942 puede configurarse fácilmente para que actúe como un cargador de baterías compacto de corriente y tensión constantes. Para las aplicaciones que tienen límites estrictos de corriente de entrada, como los circuitos alimentados por baterías pequeñas, bancos de condensadores o células fotovoltaicas, la resistencia de detección puede trasladarse al lado de entrada del regulador, lo que permite limitar y controlar la corriente de entrada del sistema. El LT3942 pasa sin problemas del modo CC al modo CV (y viceversa), asegurando la regulación de la entrada y/o la salida en todo momento.

Iluminación Secuencial de Intermitentes y Embellecedores para Automóviles

Los intermitentes secuenciales animados que se ven habitualmente en los coches de lujo y de alto rendimiento más recientes están ganando popularidad rápidamente, sustituyendo a los tradicionales intermitentes de tipo indicador. Las primeras implementaciones del intermitente secuencial utilizan múltiples convertidores reductores o reguladores lineales para alimentar los LED de los grupos de intermitentes, lo que da lugar a soluciones complejas, relativamente ineficientes y excesivamente grandes, que limitan mucho el alcance de los posibles diseños de iluminación. Reducir la cantidad de circuitos integrados de potencia necesarios para un único dispositivo eficiente es una forma obvia de ampliar la gama de opciones del diseñador de iluminación.

Una solución de convertidor único requiere un dispositivo capaz de mantener la regulación de la salida en las diferentes combinaciones de LEDs, y por tanto de tensiones de cadena, que se dan en el diseño de la iluminación: desde todos los LEDs encendidos, hasta un solo LED encendido, pasando por todas las demás combinaciones intermedias. A medida que las luces animadas se mueven a través de las configuraciones de LEDs conectadas, la tensión de entrada puede ser mayor, menor o igual a la de salida. Este tipo de aplicación requiere un convertidor elevador/descensor que pueda seleccionar de forma inteligente y conmutar suavemente entre los modos de funcionamiento, manteniendo la regulación de la salida. La topología buck-boost del LT3942 y su funcionamiento de gran ancho de banda le permiten navegar fácilmente por estos cambios suaves.

El diseño del indicador secuencial que se muestra en la Figura 5 utiliza el LT3942 para alimentar ocho LEDs de 330 mA desde una batería de automóvil y elige alimentar una cadena de LEDs ámbar, para el funcionamiento de los indicadores, o una cadena blanca, para las luces de circulación diurna u otra iluminación auxiliar utilizada en los diseños de faros delanteros/bajos.

Un microcontrolador sirve de interfaz entre la entrada del intermitente del usuario y el sistema de iluminación. Esto permite al diseñador de iluminación (o al usuario final, si lo desea) controlar totalmente la temporización y las señales necesarias para conseguir una iluminación LED secuencial animada, así como el control de la cadena de LEDs de color que se alimentan en cada momento.

En este diseño, durante el patrón de encendido secuencial, los LEDs de los intermitentes se introducen en la cadena de uno en uno para producir el intermitente. A medida que el microcontrolador va añadiendo LEDs a la cadena, el LT3942 mantiene la regulación de la corriente de salida para un brillo constante. Una vez que se encienden todos los LEDs, el LT3942 deja de conmutar y la tensión de salida se vacía para preparar el convertidor para el siguiente ciclo de encendido secuencial. Cuando no se utiliza el intermitente, el microcontrolador vuelve a conectar la cadena de LEDs de recorte y sigue esperando la entrada del usuario del intermitente, combinando así dos funciones de iluminación en una sola solución de controlador LED.

Resumen

Los dispositivos electrónicos siguen obligando a los ingenieros a buscar dispositivos integrados más pequeños para cumplir con los requisitos de espacio cada vez más limitados. El convertidor buck-boost monolítico LT3942 y el controlador de LED abordan diseños eléctricos con limitaciones de espacio, incorporando una serie de características que ahorran espacio sin comprometer el rendimiento. Su diseño monolítico y su funcionamiento a 2 MHz de frecuencia de conmutación reducen el tamaño de la solución, lo que permite que encaje en diseños de placas de circuito impreso ajustados. Es muy flexible: puede funcionar tanto como regulador de corriente constante como de tensión constante, lo que lo hace adecuado para una gran variedad de aplicaciones.

Para los diseños que requieren fuentes de alimentación de bajo ruido para cumplir con los estrictos requisitos de EMI, la función SSFM del LT3942 ayuda a reducir las emisiones conducidas y radiadas, y su cómodo diseño de patillas del paquete de CI permite realizar bucles calientes de conmutación compactos. Estas características, junto con un amplio rango de entrada, facilitan la vida del diseñador cuando se enfrenta a requisitos de potencia compactos.