el convertidor DC-DC híbrido de 72 V reduce el tamaño del convertidor de bus intermedio hasta un 50

Papel pintado

La mayoría de los convertidores de bus intermedio (IBC) proporcionan un aislamiento de entrada a salida con el uso de un voluminoso transformador de potencia. También suelen necesitar un inductor para filtrar la salida. Este tipo de convertidor se utiliza habitualmente en las arquitecturas de energía distribuida de los sectores de la informática, las telecomunicaciones y la medicina. Estos IBCs están disponibles en una gran variedad de proveedores y suelen estar alojados en cajas estándar de la industria ¹/₁₆^th, ⅛^thy ¼^th huellas de ladrillos. Un IBC típico tiene una tensión de entrada nominal de 48 V o 54 V y produce una tensión intermedia inferior entre 5 V y 12 V con un nivel de potencia de salida de varios cientos de vatios a varios kilovatios. La tensión intermedia del bus se utiliza como entrada a los reguladores de punto de carga que alimentarán las FPGAs, los microprocesadores, los ASICs, las E/S y otros dispositivos de baja tensión

Sin embargo, en muchas aplicaciones nuevas, como una aplicación de conversión directa de 48 V, el aislamiento no es necesario en el CIE, ya que la entrada de 48 V o 54 V aguas arriba ya está aislada de la red de CA peligrosa. En muchas aplicaciones, se requiere un frontal de intercambio en caliente para utilizar un IBC no aislado. Como resultado, los IBCs no aislados se están diseñando en muchas aplicaciones nuevas, reduciendo significativamente el tamaño y el coste de la solución, al tiempo que aumentan la eficiencia operativa y proporcionan flexibilidad de diseño. En la figura 1 se muestra una típica arquitectura de energía distribuida.

Ahora que la conversión no aislada está permitida en algunas arquitecturas de energía distribuida, el convertidor buck de una etapa podría considerarse para esta aplicación. Tendría que funcionar en un rango de tensión de entrada de 36 V a 72 V y producir una tensión de salida de 5 V a 12 V. El sitio web LTC3891 de Analog Devices se puede utilizar para este enfoque y proporciona una eficiencia de alrededor del 97% cuando funciona a una frecuencia de conmutación relativamente baja de 150 kHz. El funcionamiento del LTC3891 a frecuencias más altas da lugar a una menor eficiencia debido a las pérdidas de conmutación del MOSFET que se producen con la tensión de entrada relativamente alta de 48V.

Un nuevo enfoque

El nuevo enfoque innovador de los controladores combina un convertidor de condensadores conmutados con un buck síncrono. El circuito de condensadores conmutados reduce la tensión de entrada en un factor de dos y luego alimenta el buck síncrono. Esta técnica de reducir la tensión de entrada a la mitad y volver a llevarla a la tensión de salida deseada permite una mayor eficiencia o un tamaño de solución mucho menor al funcionar a una frecuencia de conmutación mucho mayor. Otras ventajas son la disminución de las pérdidas de conmutación y la reducción de la tensión del MOSFET gracias a la característica de conmutación suave inherente al convertidor frontal de condensadores conmutados, lo que se traduce en una reducción de la EMI. La figura 2 muestra cómo esta combinación formó el regulador reductor síncrono híbrido.

Nuevo convertidor de alta eficiencia

El sitio LTC7821 fusiona un circuito de condensadores conmutados con un convertidor reductor síncrono, reduciendo el tamaño de la solución DC-DC hasta un 50% en comparación con las alternativas tradicionales de convertidores buck. Esta mejora es posible gracias a una frecuencia de conmutación 3 veces mayor sin comprometer la eficiencia. Además, cuando funciona a la misma frecuencia, una solución basada en el LTC7821 puede ofrecer hasta un 3% más de eficiencia. Otras ventajas son las bajas emisiones de EMI con un frontal de conmutación suave, ideal para las aplicaciones de bus intermedio no aislado de próxima generación en la distribución de energía, las comunicaciones de datos y las telecomunicaciones, así como para los sistemas emergentes de 48 V para automóviles

El LTC7821 funciona en un rango de tensión de entrada de 10 V a 72 V (80 V abs. máx.) y puede producir corrientes de salida de decenas de amperios, dependiendo de la elección de los componentes externos. Los MOSFETs externos conmutan a una frecuencia fija, programable de 200 kHz a 1,5 MHz. En una aplicación típica de 48 V a 12 V/20 A, se puede conseguir un 97% de eficiencia con el LTC7821 conmutando a 500 kHz. La misma eficiencia sólo se puede conseguir en un convertidor reductor síncrono convencional conmutando a ⅓^rd frecuencia de funcionamiento, lo que requiere el uso de componentes magnéticos y filtros de salida mucho más grandes. Los potentes controladores de puerta de MOSFET de canal N 1 Ω del LTC7821 maximizan la eficiencia y pueden controlar varios MOSFET en paralelo para aplicaciones de mayor potencia. Gracias a su arquitectura de control en modo corriente, varios LTC7821 pueden funcionar en una configuración paralela y multifásica con un excelente reparto de la corriente y una baja ondulación de la tensión de salida para permitir aplicaciones de potencia mucho mayor sin puntos calientes.

El LTC7821 implementa numerosas características de protección para un rendimiento robusto en una amplia gama de aplicaciones. Un diseño basado en el LTC7821 también elimina la corriente de irrupción típicamente asociada a los circuitos de condensadores conmutados al equilibrar previamente los condensadores en el arranque. El LTC7821 también supervisa la tensión, la corriente y la temperatura del sistema para detectar fallos y utiliza una resistencia de detección para la protección contra la sobrecorriente. Deja de conmutar y pone el pin de FALLO a nivel bajo cuando se produce una condición de fallo. Se puede programar un temporizador a bordo para los tiempos de reinicio/repetición adecuados. Sonido EXTV_CC permite alimentar el LTC7821 desde la salida de menor tensión del convertidor u otras fuentes disponibles hasta 40 V, reduciendo la disipación de energía y mejorando la eficiencia. Otras características son: precisión de la tensión de salida de ±1% sobre la temperatura, salida de reloj para el funcionamiento multifásico, buena señal de salida de la alimentación, protección contra cortocircuitos, arranque monotónico de la tensión de salida, referencia externa opcional, bloqueo de subtensión y circuito interno de equilibrio de carga. La figura 3 muestra el esquema del LTC7821 al convertir una entrada de 36 V a 72 V en una salida de 12 V/20 A.

Las curvas de eficiencia mostradas en la Figura 4 representan una comparación de tres tipos diferentes de convertidores para la aplicación que convierte una tensión de 48 V_EN a una unidad de 12 V_OUT a 20 A como sigue:

• Un buck de una etapa que funciona a 125 kHz con control de puerta de 6 V (curva azul)
• Un buck de una etapa que funciona a 200 kHz con control de puerta de 9 V (curva roja)
• El LTC7821 híbrido funcionando a 500 kHz con control de puerta de 6 V (curva verde)

Un circuito basado en el LTC7821 que funciona hasta 3 veces la frecuencia de funcionamiento de otros convertidores tiene la misma eficiencia que las alternativas. Esta mayor frecuencia de funcionamiento supone una reducción del 56% del tamaño del inductor y de hasta el 50% del tamaño total de la solución.

Precompensación del condensador

Un convertidor de condensador conmutado suele tener una corriente de entrada muy alta cuando se aplica la tensión de entrada o cuando se activa el convertidor, lo que puede dañar la fuente de alimentación. El LTC7821 tiene un esquema propio para precargar todos los condensadores de conmutación antes de que se active la señal PWM del convertidor. Por lo tanto, se minimiza la corriente de irrupción durante el encendido. Además, el LTC7821 también tiene una ventana de protección contra fallos programable para garantizar un funcionamiento fiable del convertidor de potencia. Gracias a estas características, la tensión de salida tiene un arranque suave, igual que cualquier otro convertidor buck de modo de corriente convencional. Consulta la hoja de datos del LTC7821 para más detalles

Bucle de control principal

Una vez completada la fase de equilibrado de los condensadores, comienza el funcionamiento normal. Los MOSFETs M1 y M3 se encienden cuando el reloj activa el latch RS, y se apagan cuando el comparador de corriente principal, ICMP, reinicia el latch RS. A continuación, se encienden los MOSFETs M2 y M4. La corriente de inducción máxima en la ICMP que reinicia el latch RS está controlada por la tensión en la I_TH que es la salida del amplificador de error EA. La V_FB el pin recibe la señal de retroalimentación de tensión, que es comparada con la tensión de referencia interna por el EA. Al aumentar la corriente de carga, se produce un ligero descenso de V_FB en comparación con la referencia de 0,8 V, lo que a su vez provoca el aumento de I_TH para aumentar hasta que la corriente media del inductor coincida con la nueva corriente de carga. Después de que los MOSFETs M1 y M3 se apaguen, los MOSFETs M2 y M4 se encienden hasta que se inicie el siguiente ciclo. Durante la conmutación de M1/M3 y M2/M4, el condensador C_FLY se conecta alternativamente en serie o en paralelo a C_MID. La tensión en el MID será aproximadamente V_EN/2. Así, este convertidor funciona simplemente como un convertidor buck convencional en modo corriente con un límite de corriente ciclo a ciclo rápido y preciso y una opción de reparto de corriente

Conclusión

La combinación de un circuito de condensadores conmutados para reducir a la mitad la tensión de entrada, seguido de un convertidor reductor síncrono (convertidor híbrido) permite reducir el tamaño de la solución de convertidor CC-CC hasta un 50% en comparación con las alternativas tradicionales de convertidor Buck. Esta mejora es posible gracias a una frecuencia de conmutación 3 veces mayor sin comprometer la eficiencia. Además, el convertidor puede funcionar con una eficiencia 3× mayor en un espacio comparable al de las soluciones existentes. Otras ventajas de esta nueva arquitectura de convertidor híbrido son la conmutación suave para reducir la EMI y el estrés del MOSFET. Se pueden poner fácilmente en paralelo varios convertidores con un reparto activo y preciso de la corriente cuando se necesita una gran potencia