Ahora es más fácil convertir el voltaje de la batería de iones de litio a 3,3 V con este eficiente regulador reductor-elevador síncrono de un solo inductor

Uno de los problemas de suministro de energía más comunes con los dispositivos portátiles de hoy en día es generar un voltaje regulado que cae en algún lugar en el medio del rango de voltaje total de la batería. Por ejemplo, proporcionar una salida constante de 3,3 V desde el rango de una batería de iones de litio (Li-Ion) de 2,5 V a 4,2 V. La topología más popular para resolver este problema es un convertidor SEPIC, pero un SEPIC tiene algunos inconvenientes inherentes, que incluyen una eficiencia mediocre y el requisito de un inductor acoplado y un capacitor de retorno de alta corriente. Otra solución es un circuito que conecte en cascada un convertidor elevador con un convertidor LDO o Buck, pero este circuito relativamente ineficiente no funciona mucho mejor con el espacio adicional y el dinero que se necesita para los componentes adicionales. Linear Technology ahora ofrece otra solución mejor con el nuevo convertidor Buck-Boost LTC3440, que proporciona la solución más compacta y de mayor eficiencia hasta el momento: reduce los costos, aumenta la vida útil de la batería y ahorra valioso espacio en la placa de PC.

El LTC3440 es el primer convertidor reductor-elevador de inductor único y frecuencia constante de la industria. El IC incorpora una técnica de control pendiente de patente para regular de manera eficiente un voltaje de salida superior, inferior o igual al voltaje de la fuente de entrada con un solo inductor y sin el requisito de diodos Schottky. La figura 1 muestra las etapas de potencia de las topologías mencionadas anteriormente (SEPIC, boost-buck en cascada y boost-LDO en cascada) y la topología de un solo inductor que usa el LTC3440.

La figura 2 muestra las eficiencias para cada topología en función del voltaje de entrada. La solución LTC3440 es la única del grupo que puede alcanzar una eficiencia del 95 % y mantener una eficiencia superior al 90 % en todo el rango de voltaje operativo de la batería.

Los rangos de voltaje de entrada y salida del LTC3440 son de 2,5 V a 5,5 V. La operación de alta frecuencia, bajo ruido y alta eficiencia se debe en parte a la baja R_{DS (ENCENDIDO)} (NMOS de 0,19 Ω, PMOS de 0,22 Ω), interruptores síncronos de carga de compuerta baja y tiempos mínimos de interrupción antes de la conexión. El LTC3440 está alojado en un paquete MS10 térmicamente mejorado, lo que lo hace ideal para aplicaciones de energía portátiles que requieren menos de dos vatios de potencia de salida.

Para mejorar la eficiencia con cargas ligeras, el LTC3440 ofrece modo de ráfaga^® funcionamiento, que consume solo 25 µA de corriente de reposo, lo que mejora aún más la duración de la batería. Para habilitar la operación del modo de ráfaga, simplemente coloque el pin MODE/SYNC en alto. O, para aplicaciones sensibles al ruido, ajuste el MODO/SYNC a un nivel bajo para habilitar la conmutación de frecuencia fija. La frecuencia de funcionamiento se puede programar de 300 kHz a 2 MHz cambiando el valor de la resistencia entre el pin RT y tierra. No se requiere reloj externo, aunque los usuarios pueden sincronizar la frecuencia operativa conectando un reloj externo al pin MODE/SYNC. También se puede ordenar que la pieza se apague tirando del SHDN/Pasador SS bajo. En el apagado, la pieza consume menos de 1 µA de corriente de reposo y desconecta la salida del suministro de entrada. Para limitar la corriente de irrupción en el arranque, conecte una red RC externa al SHDN/SS pin para iniciar suavemente el voltaje de salida.

La topología incorporada en el LTC3440 (consulte el esquema parcial que se muestra en la Figura 3) permite que el regulador realice una transición suave del modo Buck al modo Buck-Boost y, luego, al modo Boost al poner en fase correctamente cuatro interruptores de salida (SW A, SW B, SW C y SW D) en respuesta al voltaje de salida del amplificador de error (pin VC). Dado que el voltaje de salida del amplificador de error es una señal filtrada, el ciclo de trabajo/control de modo es insensible al ruido de conmutación.

La Figura 4 muestra el tiempo de encendido de cada interruptor en función del voltaje de VC. Durante el modo Buck, los interruptores A y B cambian sincrónicamente mientras D está encendido y C está apagado. En el otro extremo, cuando el regulador está en modo Boost, los interruptores C y D se conectan sincrónicamente, mientras que A está encendido y B está apagado. Durante el modo Buck-Boost, el voltaje de entrada se aproxima al voltaje de salida y los cuatro interruptores conmutan.

La figura 5 muestra una aplicación de condensador totalmente cerámico, de iones de litio a 3,3 V a 600 mA, que funciona a 1 MHz. La Figura 6 muestra las curvas de eficiencia en el rango de baterías de Li-Ion. Durante la disminución de la demanda de carga, se puede ordenar al convertidor que ingrese a la operación de modo de ráfaga de ahorro de energía. Con la operación en modo de ráfaga habilitada con cargas ligeras, este diseño produce eficiencias de más del 80 % durante más de dos décadas de corriente de carga. A 200 µA de corriente de carga, la eficiencia se mantiene por encima del 70 %, principalmente debido a la baja corriente de reposo de 25 µA. Para proporcionar limitación de corriente de irrupción, agregue una resistencia entre SHDN/SS y V_EN y un condensador entre SHDN/SS y GND para limitar el tiempo de aumento del voltaje de salida del amperaje de error en el arranque.

La arquitectura del LTC3440 lo hace útil para algo más que aplicaciones de iones de litio. El LTC3440 es ideal para aplicaciones de 3 celdas donde el voltaje de entrada generalmente cambia de 2,7 V a 4,5 V. La Figura 7 muestra una aplicación de 3 celdas a 3,3 V, con sus curvas de eficiencia mostradas en la Figura 8. La frecuencia de conmutación está programada para 1,5 MHz, por lo que se puede usar un inductor más pequeño, lo que permite una respuesta transitoria más rápida. Debido a la frecuencia más alta, se agregan diodos Schottky para obtener la máxima eficiencia (2 % típico a 1,5 MHz). Se utilizó compensación de amperaje de error tipo III (dos polos, dos ceros) para maximizar el ancho de banda, optimizando la respuesta transitoria. Esta aplicación también aprovecha la función de arranque suave para el control de la corriente de irrupción.

En una aplicación de iones de litio a 5 V, generalmente se emplea un convertidor Boost, pero a menudo se debe agregar un interruptor de desconexión adicional. El LTC3440 tiene una verdadera desconexión de salida incorporada, lo que lo convierte en una solución más compacta para aplicaciones solo Boost. La Figura 9 muestra un convertidor de iones de litio a 5 V que también aprovecha la función de limitación de corriente de arranque.

El nuevo convertidor reductor-elevador síncrono LTC3440 de Linear Technology simplifica el diseño de dispositivos electrónicos portátiles alimentados por iones de litio o multiceldas. Puede ayudar a un diseñador a extender el tiempo de operación, ahorrar espacio vital en la placa y cumplir con los requisitos de altura de los componentes. El funcionamiento de alta frecuencia del LTC3440 permite el uso de todos los condensadores cerámicos, y la topología novedosa se adapta a un solo inductor pequeño de montaje en superficie. La capacidad de programar la frecuencia de operación, el voltaje de salida, el arranque suave, la compensación de bucle y la operación en modo de ráfaga permite al diseñador optimizar la conversión de energía para una amplia variedad de aplicaciones portátiles. Bajo R_{DS (ENCENDIDO)} (0,19 Ω NMOS, 0,22 Ω PMOS) Los interruptores síncronos optimizan la eficiencia para todas las aplicaciones. Toda esta funcionalidad está disponible en un pequeño paquete MSOP-10