El posicionamiento activo de la tensión ahorra condensadores de salida en las aplicaciones de los ordenadores portátiles

El posicionamiento activo de la tensión es una técnica que puede utilizarse para ahorrar costes y espacio, reduciendo el número de condensadores de salida necesarios para satisfacer las necesidades de energía de un microprocesador. El coste total del sistema y los requisitos de espacio de la placa de circuito impreso son aspectos importantes en los diseños de los equipos portátiles de hoy en día, por lo que reducir el número de condensadores de salida grandes y caros merece un esfuerzo. Los dos reguladores de conmutación en modo corriente LTC1735/LTC1736 (Tecnología lineal IX:1, febrero de 1999, pp. 1, 3-5, 35) y los controladores de modo de tensión LTC1702/LTC1703 (Tecnología lineal IX:3, septiembre de 1999, pp. 16-20) pueden aprovechar el posicionamiento activo de la tensión.

Los microprocesadores cambian con frecuencia sus requisitos de corriente de carga, pasando de una carga casi nula a una corriente de carga máxima y viceversa con gran rapidez. Los flancos de subida y bajada de estos pasos de corriente de carga superan el ancho de banda del bucle de control del regulador de conmutación. Actualmente, un paso de carga típico es de 0,2A a 12A en 100ns, o de 12A a 0,2A en 100ns. La tensión del núcleo del microprocesador debe mantenerse dentro de aproximadamente ±0,1V del valor nominal a pesar de estos pasos de carga.

Como el bucle de control del regulador de conmutación no puede responder en 100ns, los condensadores de salida deben suministrar temporalmente la corriente de carga cuando la corriente de salida aumenta rápidamente. Del mismo modo, los condensadores de salida deben absorber la energía almacenada en el inductor cuando la corriente de salida disminuye rápidamente. La ESR y la ESL de los condensadores determinan principalmente la cantidad de caída y sobreimpulso de la tensión de salida causada por un aumento de la corriente de carga. Normalmente, se necesitan varios condensadores en paralelo para satisfacer los requisitos de carga transitoria del microprocesador.

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El posicionamiento activo de la tensión es una forma de desregulación. Establece la tensión de salida alta para cargas ligeras y baja para cargas pesadas. Cuando se pasa de una corriente baja a una corriente alta, la tensión de salida comienza con una tensión superior a la nominal, de modo que la tensión de salida puede descender más mientras se cumple la especificación de tensión de salida mínima. Si ajustas la tensión de salida por debajo de la tensión nominal para cargas pesadas, es posible una mayor variación de la tensión de salida cuando la corriente de carga cae repentinamente hasta casi cero. Se necesita menos capacitancia de salida porque se permite una mayor variación de la tensión de salida en los condensadores de salida.

La implementación del posicionamiento activo de la tensión depende del tipo de amplificador de error OPTI-LOOP utilizado en el regulador de conmutación. Con el LTC1736, conectando dos resistencias a la ITH la clavija ajusta la tensión de salida en proporción inversa a la cantidad de corriente de carga. Esta técnica sólo funciona con un regulador de control de corriente. Existen diferentes técnicas para el LTC1703; también se pueden utilizar en el LTC1736 y se comentarán más adelante.

Para reducir la capacitancia de salida con el posicionamiento activo de la tensión es necesario conectar dos resistencias a la ITH y reajustando los valores de los componentes de compensación del bucle. La figura 1 muestra un circuito regulador de tensión básico diseñado para funcionar con una entrada de 7,5V a 24V y proporcionar una precisión de ±7,5% con tensiones de salida controladas por VID de 0,9V a 2,0V con pasos de corriente de carga de 0,2A a 12A. Aunque la precisión del 7,5% de la tensión de salida no parece muy impresionante, el 7,5% de 1,4V son sólo 105mV, incluyendo la precisión del punto de ajuste y el control de carga y línea, así como el margen de respuesta transitoria en el paso de carga de 12A.

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Figura 1: Regulador de tensión del núcleo basado en el LTC1736 con posicionamiento activo de la tensión.

El circuito de la figura 1 es un regulador buck síncrono en modo corriente con una frecuencia de conmutación de 300 kHz. La tensión nominal de salida se selecciona mediante el código VID estándar de Intel para móviles. La tensión de salida real varía con la corriente de carga. La tensión de salida en vacío de este circuito es superior a la tensión nominal porque la corriente suministrada por R3 crea un desplazamiento positivo en la entrada del amplificador de error de transconductancia. La corriente del amplificador de error suministrada por R4 desarrolla una tensión de offset de entrada negativa. Este desplazamiento negativo hace que la tensión de salida sea inferior al valor nominal en condiciones de plena carga.

Las desviaciones forzadas en la entrada del amplificador de error deben limitarse a ±30mV. Si se necesita una tensión de salida más baja a plena carga, la caída de tensión a través de la resistencia sensora de corriente puede restarse de la tensión de salida regulada conectando la VOSENSE al inductor de la resistencia de detección, como se muestra en la figura 1. La figura 2 muestra una forma de onda transitoria de 50mV y -100mV de una entrada de 12V y una salida de 1,6V del circuito de la figura 1. La tolerancia de la tensión de salida del 7,5% permite una variación de ±120mV.

Figura 2: Respuesta transitoria para un paso de corriente de carga de 12 A.

Las figuras 3 y 4 muestran dos métodos de implementación del ajuste activo de la tensión en un circuito LTC1703. En la Figura 3, la reducción de la tensión se establece añadiendo una resistencia de 2,5 mW (R18) en la ruta de alimentación. A plena carga, la tensión de salida será inferior a la tensión nominal de ICARGA COMPLETA – 0.0025. Para programar la tensión de salida por encima del valor nominal a carga cero, se añade una resistencia de 390k, R20, entre el pin FB1 y tierra. El valor de CC por el que aumenta la tensión de salida respecto al valor nominal puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 1

Figura 3: Controlador basado en el LTC1703 con posicionamiento activo de la tensión implementado con una resistencia de detección.

Figura 4: Controlador basado en el LTC1703 con posicionamiento activo de la tensión implementado mediante la resistencia DC del inductor.

En la figura 4, la desregulación de la tensión se establece mediante la resistencia de CC del inductor de potencia, que es de unos 2,5 mW. El pin SENSE del LTC1703 se conecta entre R20 (150W) y C24 (1mF). R20 y C24, que se conectan a través del inductor L2, actúan como un filtro de paso bajo con una constante de tiempo de 150 ms. Igualmente, se añade una resistencia de 390k, R21, entre la patilla FB1 y tierra. La figura 5 muestra la respuesta transitoria del circuito LTC1703 de las figuras 3 y 4 para un paso de carga transitoria de 0A-14A con cuatro condensadores Poscap de 150mF.

Figura 5. LTC1703 VOUT CPU respuesta transitoria con posicionamiento activo de la tensión.

El posicionamiento activo de la tensión permite una mayor variación de la tensión de salida durante un transitorio de carga, reduciendo así el número de condensadores de salida necesarios. Un menor número de condensadores hace que el regulador sea más pequeño y barato.

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