El controlador Buck sincrónico prolonga la duración de la batería y ocupa poco espacio

Los dispositivos electrónicos portátiles siguen reduciendo su tamaño y sus tensiones de alimentación también disminuyen, pero las necesidades de corriente de carga aumentan debido a la mayor velocidad de procesamiento y a la mejora de la funcionalidad. Esta tendencia impone más exigencias a las fuentes de alimentación portátiles actuales, pero Linear Technology tiene la solución. El LTC1773 es un controlador DC/DC síncrono que ofrece una alta capacidad de corriente de salida y una baja corriente de funcionamiento en vacío en un pequeño encapsulado MSOP-10. Su rango de tensión de entrada es de 2,65 V a 8,5 V, lo que es ideal para baterías de iones de litio de 1 o 2 celdas, así como para paquetes de baterías de NiCd y NiMH de 3 o 6 celdas, ya que permite que las baterías funcionen cerca del final de la carga. Un preciso circuito interno de bloqueo por subtensión impide la descarga profunda de la batería por debajo de 2,5 V. Funciones populares como OPTI-LOOP compensación, arranque suave y modo ráfaga también se incluye la frecuencia de funcionamiento. En combinación con su pequeño encapsulado MSOP, la alta frecuencia de funcionamiento del LTC1773, de 550 kHz, permite utilizar pequeños componentes de montaje superficial para ofrecer una solución de alimentación compacta.

La figura 1 muestra una aplicación típica del LTC1773 en un convertidor reductor de 5V a 2,5V/3A. La figura 2 muestra su eficiencia con respecto a la corriente de carga. El LTC1773 utiliza una arquitectura de frecuencia constante y modo de corriente para accionar un par de MOSFETs de potencia complementarios externos. Un oscilador interno define la frecuencia de funcionamiento del aparato. El MOSFET del canal P se enciende con cada ciclo del oscilador y se apaga cuando el comparador de corriente interno se dispara, indicando que la corriente del inductor ha alcanzado un nivel definido por el valor ITH pin. Un amplificador de error interno controla a su vez la ITH controlando la tensión de salida mediante un divisor resistivo externo conectado a la VFB pin. Mientras el MOSFET del canal P está apagado, el MOSFET síncrono del canal N se enciende hasta que la corriente del inductor comienza a invertirse, tal y como indica el pin SW que va por debajo de tierra, o hasta que comienza el siguiente ciclo.

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Figura 1. Convertidor reductor de 5V a 2,5V/3A.

Figura 2: Rendimiento del circuito de la figura 1 con varias tensiones de entrada.

Funcionamiento sincrónico, en ráfaga y continuo forzado

Se pueden seleccionar tres modos de funcionamiento mediante el pin SYNC/FCB. Si lo conectas a una tensión superior a 0,8 V o lo dejas flotando, activarás el modo ráfaga, que aumenta la eficiencia en condiciones de carga ligera. Durante el funcionamiento en modo ráfaga, la corriente máxima del inductor se limita a aproximadamente un tercio del valor máximo y la ITH se controla para determinar si el aparato pasa al modo de espera para ahorrar energía. LA ITH es inversamente proporcional al error de la tensión de salida. Cuando la corriente media del inductor es superior a las necesidades de la carga, la tensión de salida aumenta mientras que la ITH el nivel baja. CuandoTH cae por debajo de 0,22 V, el dispositivo pasa al modo de reposo, desactivando los MOSFETs de potencia externos y la mayor parte de los circuitos internos; en este estado, el LTC1773 sólo consume 80µA de corriente de reposo. En este punto, la corriente de carga es suministrada por el condensador de salida. A medida que la producción disminuye, ITH será mayor. CuandoTH si el nivel de tensión sube por encima de 0,27V, la unidad volverá a funcionar normalmente.

Para las aplicaciones sensibles a la frecuencia, se puede inhibir el funcionamiento en modo ráfaga atando el pin SYNC/FCB a menos de 0,8 V para forzar el funcionamiento continuo, que impulsará continuamente los MOSFETs de potencia externos de forma sincronizada, independientemente de la carga de salida. En este caso, la corriente del inductor puede invertirse.

Además de ser un umbral de entrada lógica, el umbral de 0,8 V de la patilla SYNC/FCB también puede utilizarse para regular la salida de un devanado secundario forzando un funcionamiento síncrono continuo, independientemente de la carga de salida del primario. Una señal de reloj de nivel lógico conectada a la patilla SYNC/FCB sincroniza la frecuencia de funcionamiento con una fuente externa entre 585kHz y 750kHz. El funcionamiento en modo ráfaga se desactiva automáticamente durante la sincronización para reducir el ruido. En cambio, el salto de ciclo se produce en condiciones de carga ligera, ya que no se permite la inversión de la corriente. Esto mejora la eficiencia de la corriente baja, a la vez que proporciona una baja ondulación de salida.

Ejecutar/Inicio suave

Al encenderlo, el pin RUN/SS se pone en alto mediante una fuente de corriente interna; se puede colocar un condensador externo en el pin para programar su tiempo de subida y asegurar un arranque suave en la salida, limitando la cantidad de corriente de carga en los condensadores de salida. La clavija RUN/SS también tiene otra función: si la clavija está atada por debajo de 0,65V, la pieza se apaga y consume menos de 10µA de corriente de entrada.

Protección contra fallos

El LTC1773 incorpora funciones de protección como el límite de corriente programable, el bloqueo por subtensión de entrada, la protección por sobretensión de salida y la recuperación de la frecuencia cuando la salida queda fuera de la regulación.

Una de las ventajas de un regulador de conmutación en modo corriente es que la corriente se regula durante cada ciclo de reloj, lo que proporciona una protección contra la sobrecarga de corriente pulso a pulso. El límite de corriente se programa a través de una resistencia de detección externa de lado alto. La tensión de detección máxima a través de esta resistencia es de 100 mV. Pero teniendo en cuenta la ondulación de la corriente, el ruido de entrada y la tolerancia de la resistencia sensora, hay que utilizar 70mV para seleccionar la resistencia sensora correcta (RSENTIDO = 70mV/IOUT).

Para proteger una fuente de alimentación de batería de una descarga profunda cerca del final de su carga, un circuito interno de bloqueo por subtensión apaga el dispositivo cuando VEN cae por debajo de 2,5V. Esto reduce el consumo de corriente a unos 2µA. Una histéresis incorporada de 150 mV garantiza un funcionamiento fiable con fuentes de alimentación ruidosas.

Durante los sobreimpulsos transitorios y otras condiciones más graves que pueden hacer que la salida aumente fuera de la regulación (>7,5%), un comparador de sobretensión interno apaga el MOSFET principal y enciende el MOSFET síncrono hasta que se elimine la condición de sobretensión. Durante este tiempo, si el MOSFET principal está defectuoso o cortocircuitado a tierra, la corriente fluirá directamente desde VEN a tierra, haciendo saltar el fusible del sistema y salvando los demás componentes de la placa.

Además, si la salida se pone en cortocircuito a tierra, la frecuencia del oscilador se reduce a unos 55 kHz, es decir, a 1/10 de la frecuencia nominal. Este repliegue de la frecuencia garantiza que la corriente del inductor tenga tiempo suficiente para decaer, evitando así el desbordamiento. La frecuencia del oscilador aumentará gradualmente hasta los 550 kHz cuando el valor de VFB se eleva por encima de 0,4V.

Funcionamiento en caso de caída

Durante la descarga de una fuente de batería, cuando la tensión de alimentación de entrada disminuye hacia la tensión de salida, el ciclo de trabajo aumenta hacia el tiempo máximo de funcionamiento. La tensión de salida vendrá entonces determinada por VEN menos las caídas de tensión I – R en el MOSFET de canal P externo, la resistencia de detección y el inductor.

Para cumplir los estrictos requisitos de respuesta transitoria, otros reguladores de conmutación pueden tener que utilizar muchos condensadores de salida grandes y caros para reducir la caída de tensión de salida durante un paso de carga. El LTC1773, con compensación OPTI-LOOP, requiere menos condensadores de salida y también permite utilizar condensadores cerámicos baratos. LA ITH de la patilla del LTC1773 permite a los usuarios seleccionar los valores de los componentes adecuados para compensar el bucle y optimizar la respuesta transitoria con el mínimo número de condensadores de salida.

Control de la línea y de la carga

La arquitectura en modo corriente del LTC1773 proporciona una excelente regulación de la línea y de la carga sin necesidad de compensaciones engorrosas ni de una capacitancia de salida excesiva. Las figuras 3a y 3b muestran la respuesta del LTC1773 a un paso de carga de 100mA a 5A durante el funcionamiento en modo ráfaga y en modo continuo, respectivamente.

Figura 3a. Respuesta al paso de carga, funcionamiento en modo ráfaga.

Figura 3b. Respuesta al paso de la carga, funcionamiento en modo continuo.

La figura 4 muestra una aplicación de reducción de 3,3V a 1,8V a 7A. Cuando se trabaje por debajo de 5V, hay que tener cuidado de seleccionar los MOSFETs de nivel sub-lógico adecuados que tengan una carga de puerta relativamente baja. Para aplicaciones de alta corriente (>3A), se deben utilizar MOSFETs de canal P y canal N individuales, en lugar de MOSFETs complementarios en un único encapsulado. Un buen valor para los MOSFET es el RDS(ON) producto de carga de la red. Cuanto más bajo sea este valor, mayor será la eficacia de la aplicación.

Figura 4. Regulador de 3V a 1,8V/7A.

Además de las aplicaciones normales de reducción, el LTC1773 también se puede utilizar en una configuración de convertidor zeta que realizará conversiones tanto de reducción como de aumento, como se muestra en la Figura 5. Esta aplicación es ideal para el funcionamiento de la batería, donde se mantiene una salida regulada de 3,3 V durante todo el ciclo de descarga de una batería de iones de litio de 4,7 V a 2,5 V.

Figura 5: Convertidor zeta síncrono de una sola célula de iones de litio a 3,3V/1A.

El LTC1773 ofrece flexibilidad, alta eficiencia y muchas otras características populares en un pequeño paquete MSOP-10. Para los sistemas portátiles de bajo voltaje que requieren un espacio reducido y una alta eficiencia, el LTC1773 es la solución ideal.

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