Conceptos de cascada e híbridos para la conversión de tensión

Existen diferentes soluciones para aplicaciones que requieren la conversión de una tensión de entrada elevada a una tensión de salida muy baja. Un ejemplo interesante es la conversión de 48 V a 3,3 V. Esta especificación no sólo es habitual en las aplicaciones de servidor para el mercado informático, sino también en las telecomunicaciones.

Si se utiliza un convertidor buck para este único paso de conversión, como se muestra en la figura 1, surge el problema de los ciclos de trabajo pequeños. El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo de encendido (cuando el interruptor principal está encendido) y el tiempo de apagado (cuando el interruptor principal está apagado). Un convertidor buck tiene un ciclo de trabajo, que se define con la siguiente fórmula:

Con una tensión de entrada de 48 V y una tensión de salida de 3,3 V, el ciclo de trabajo es de aproximadamente el 7%.

Esto significa que a una frecuencia de conmutación de 1 MHz (1000 ns por periodo de conmutación), el interruptor Q1 está encendido sólo 70 ns. A continuación se desactiva el interruptor Q1 durante 930 ns y se activa Q2. Para un circuito de este tipo, hay que elegir un controlador de conmutación que permita un tiempo mínimo de encendido de 70 ns o menos. Si se elige un componente de este tipo, hay otro reto. Normalmente, la altísima eficiencia de conversión de potencia de un regulador buck se reduce cuando funciona con ciclos de trabajo muy cortos. Esto se debe a que el tiempo disponible para almacenar energía en el inductor es muy corto. El inductor tiene que suministrar energía durante un largo periodo de tiempo durante el tiempo de inactividad. Esto suele dar lugar a corrientes de pico muy elevadas en el circuito. Para reducir estas corrientes, la inductancia de L1 debe ser relativamente grande. Esto se debe a que durante el tiempo de encendido se aplica una gran diferencia de tensión a L1 en la figura 1.

En el ejemplo, vemos unos 44,7 V a través del inductor durante el tiempo de funcionamiento, 48 V en el lado del nodo de conmutación y 3,3 V en el lado de salida. La corriente del inductor se calcula mediante la siguiente fórmula:

Si hay una tensión elevada en el inductor, la corriente aumenta durante un periodo de tiempo fijo y para una inductancia fija. Para reducir las corrientes de pico del inductor, hay que elegir un valor más alto de inductor. Sin embargo, un mayor valor de inductancia aumenta las pérdidas de potencia. En estas condiciones de tensión, un módulo LTM8027 μRMS^® de Analog Devices alcanza una eficiencia energética de sólo el 80% con una corriente de salida de 4 A.

Hoy en día, una solución de circuito muy común y más eficiente para aumentar la eficiencia energética es la generación de una tensión intermedia. En la figura 2 se muestra una configuración en cascada con dos reguladores buck de alta eficiencia. En el primer paso, la tensión de 48 V se convierte en 12 V. Esta tensión se reduce entonces a 3,3 V en un segundo paso de conversión. El regulador LTM8027 μModule tiene una eficiencia de conversión total de más del 92% cuando se convierte de 48 V a 12 V. El segundo paso de conversión de 12 V a 3,3 V, realizado con un LTM4624, tiene una eficiencia de conversión del 90%. Esto da una eficiencia total de conversión de energía del 83%. Esto es un 3% más alto que la conversión directa de la Figura 1.

Esto puede resultar algo sorprendente, ya que toda la potencia de la salida de 3,3 V tuvo que pasar por dos circuitos reguladores de conmutación individuales. La eficiencia del circuito de la figura 1 es menor debido al corto ciclo de trabajo y a las elevadas corrientes de pico resultantes del inductor.

Al comparar las arquitecturas de un solo paso con las arquitecturas de bus intermedio, hay muchos otros aspectos a tener en cuenta además de la eficiencia energética.

Otra solución a este problema básico es el nuevo controlador reductor híbrido LTC7821 de Analog Devices. Combina la acción de la bomba de carga con un control reductor de tipo buck. Esto permite un ciclo de trabajo de 2× V_EN/V_OUT y, por tanto, se pueden conseguir relaciones de reducción muy elevadas con eficiencias de conversión de energía muy altas.

La figura 3 muestra la configuración del circuito del LTC7821. Se trata de un regulador reductor síncrono híbrido. Combina una bomba de carga para reducir a la mitad la tensión de entrada con un convertidor reductor síncrono con topología buck. Con él, se pueden alcanzar eficiencias de conversión superiores al 97% para convertir 48 V en 12 V a una frecuencia de conmutación de 500 kHz. Con otras arquitecturas, esta alta eficiencia sólo se conseguiría con frecuencias de conmutación mucho más bajas. Necesitarían inductancias mayores.

Se activan cuatro transistores de conmutación externos. Durante el funcionamiento, los condensadores C1 y C2 generan la función de bomba de carga. La tensión generada se convierte en una tensión de salida regulada con precisión mediante la función buck síncrona. Para optimizar las características de compatibilidad electromagnética, la bomba de carga se utiliza con operaciones de conmutación suave.

La combinación de una bomba de carga y una topología buck ofrece las siguientes ventajas. Gracias a la combinación óptima de la bomba de carga y el controlador de conmutación síncrono, la eficiencia de conversión es muy alta. Los MOSFETs externos M2, M3 y M4 sólo tienen que soportar tensiones bajas. El circuito también es compacto. La bobina es más pequeña y más barata que en un enfoque de convertidor de una sola etapa. Para este controlador híbrido, el ciclo de trabajo de los interruptores M1 y M3 es D = 2 × V_OUT/V_EN. Para M2 y M4, el ciclo de trabajo se calcula como sigue: D = (V_EN - 2 × V_OUT)/V_EN.

Para las bombas de carga, muchos desarrolladores asumen una limitación de potencia de salida de unos 100 mW. El interruptor del convertidor híbrido con el LTC7821 está diseñado para corrientes de salida de hasta 25 A. Para un rendimiento aún mayor, se pueden conectar varios controladores LTC7821 en una configuración paralela multifásica con frecuencia sincronizada para compartir la carga total.

La figura 4 muestra la eficiencia de conversión típica para una tensión de entrada de 48 V y una tensión de salida de 5 V con diferentes corrientes de carga. A unos 6 A, se alcanza una eficiencia de conversión superior al 90%. Entre 13 A y 24 A, la eficiencia es incluso superior al 94%.

Un regulador reductor híbrido proporciona una eficiencia de conversión muy alta en un formato compacto. Ofrece una alternativa atractiva a un diseño de regulador de conmutación discreto de dos etapas con una tensión de bus intermedia y un convertidor de una etapa limitado a funcionar con un ciclo de trabajo muy bajo. Algunos diseñadores preferirán una arquitectura en cascada, otros una arquitectura híbrida. Con ambas opciones disponibles, todos los diseños deberían tener éxito.