Fuentes de alimentación automotrices sencillas: el regulador compacto produce salidas duales de hasta 0,8 V desde 3,6 V a 36 V y no se ve afectado por los transitorios de 60 V

El regulador reductor de dos canales LT3509 funciona en un impresionante rango de alimentación de 3,6 V a más de 36 V, pero su verdadera característica es su capacidad para protegerse a sí mismo y a los componentes de la línea inferior de tensiones de entrada transitorias de hasta 60 V. Lo consigue entrando en un modo de desconexión seguro cuando la alimentación supera los 38 V, como en los casos de descarga en los sistemas eléctricos de los automóviles.

En el sistema eléctrico de un vehículo, pueden producirse transitorios de sobretensión cuando se conmutan cargas pesadas, porque el rápido cambio de corriente a través de la inductancia del cableado induce una alta tensión. Estos transitorios suelen ser de corta duración, de varios microsegundos a varios milisegundos. Pueden producirse sobretensiones de mayor duración cuando se desconecta la batería y el alternador y su regulador deben responder para reducir el campo de excitación en el rotor. Esto puede tardar varios cientos de milisegundos, tiempo suficiente para dañar los componentes y subsistemas electrónicos.

El LT3509 se protege a sí mismo y a los sistemas de aguas abajo de los eventos de sobretensión transitoria, apagándose mientras dure el evento. Para los sistemas no críticos, toda la protección es necesaria, siempre que la energía se restablezca con relativa rapidez. Para los sistemas críticos que requieren una funcionalidad completa durante un evento transitorio, un circuito de supercondensadores puede seguir proporcionando energía de mantenimiento (véase la Nota de diseño 450 de Linear Technology o el artículo de portada del número de septiembre de 2008 de Tecnología lineal revista). Este artículo presenta un circuito que permite a los sistemas alimentados superar los transitorios sin necesidad de reiniciar.

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El LT3509 incorpora características populares de alto voltaje en una solución compacta de doble alimentación para una amplia gama de aplicaciones. Cada uno de los dos canales puede producir hasta 0,7 A con una tensión de salida de hasta 0,8 V, a medio voltio de la alimentación de entrada. Lleva incorporados diodos BOOST y compensación interna para minimizar el número de componentes y la superficie de la placa. También se proporciona una sólida protección contra cortocircuitos mediante la detección de la corriente del diodo de captura. La función de desplazamiento es especialmente útil en las aplicaciones de automoción, así como el amplio rango de frecuencias de funcionamiento de 300 kHz a 2,2 MHz y la capacidad de sincronización con un reloj de referencia externo. La frecuencia de conmutación puede seleccionarse o controlarse externamente para cumplir los estrictos requisitos de EMI.

Una forma de reducir los requisitos de almacenamiento de energía para la conmutación es proporcionar una señal de FALLO a los sistemas alimentados para que puedan entrar en un estado de baja potencia mientras dure el evento. Por ejemplo, un microcontrolador podría entrar en estado de HALT, los circuitos digitales podrían parar o reducir la velocidad del reloj, las pantallas podrían borrarse y los circuitos de audio silenciarse. Esto minimiza el consumo de energía, de modo que las tensiones de salida pueden mantenerse con condensadores electrolíticos relativamente pequeños.

El propio LT3509 no proporciona una señal lógica dedicada para indicar que se ha producido un evento de sobretensión, pero es posible detectar el evento monitorizando los pines RUN/SS. Estos pines son arrastrados a un nivel bajo por un dispositivo interno siempre que exista una condición de sobretensión, pero como no fueron diseñados para manejar la lógica directamente, se requiere un pequeño circuito de interfaz, como se muestra en la Figura 1. Los pines RUN/SS se elevan a unos 3,0V mediante un pull-up interno de 1µA durante el funcionamiento normal y se elevan a unos 0,6V en caso de fallo. Este circuito tiene un umbral de conmutación de unos 1,4 V y consume muy poca corriente de entrada. El circuito funciona con una corriente muy baja y los transistores se han seleccionado cuidadosamente; los tipos genéricos pueden no dar un rendimiento satisfactorio. El colector de Q1 debe ser alimentado con VEN con un divisor de resistencias como se muestra. Si se conecta a VOUTla unión colector-base tendrá un sesgo hacia delante al encenderlo, lo que impedirá que el LT3509 se ponga en marcha. El divisor de resistencias mantiene la tensión colector-emisor de Q1 por debajo de su tensión de ruptura.

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Figura 1: Interfaz de la señal RUN/SS a FAULT del LT3509.

El diagrama de la Figura 2 muestra una aplicación típica de un sistema de doble alimentación que requiere raíles de 3,3 V y 1,8 V, como un sistema de radio o de navegación por satélite. El objetivo es mantener la capacidad de paso descrita en la introducción, en la que la tensión de salida se mantiene el tiempo suficiente para que los circuitos alimentados entren en un estado de baja corriente. Las principales características son que incluye el circuito de indicación de fallos de la figura 1 y que los condensadores cerámicos de salida estándar de 10µF C5 y C8 se complementan con los condensadores electrolíticos de 1000µF C4 y C9. Los condensadores cerámicos deben utilizarse siempre para controlar el rizado de alta frecuencia, ya que tienen una ESR mucho menor que los tipos electrolíticos.

Figura 2. Batería automática de 12V a 3,3V y 1,8V con condensadores de retención e indicador de FALLO.

La frecuencia de funcionamiento se mantiene baja para que el canal de 1,8 V funcione en modo de frecuencia fija con la tensión de funcionamiento normal. Los condensadores de salida deben soportar la tensión de salida mientras el regulador se apaga debido a un evento de sobretensión. También deben suministrar toda la corriente de carga durante el tiempo que transcurre entre el inicio del evento de sobretensión y la desenergización de la carga. El tiempo de retardo entre la condición de sobretensión y la afirmación de la señal de fallo depende del valor del condensador en el pin RUN/SS. Con los valores de los componentes del circuito de ejemplo, este retardo es de aproximadamente 40µs. A esto hay que añadir el tiempo necesario para que el circuito alimentado se detenga. La caída de tensión durante este tiempo se puede calcular a partir de ∆V = I - t/C. Así, para 700mA, 40µs y 1000µF, obtenemos ∆V = 0,7A - 40µs/1000µF = 28mV.

Una vez que los circuitos alimentados se han detenido, la tasa de caída depende del consumo de corriente residual y de la duración del evento transitorio. En un caso ideal, la potencia del sistema debería reducirse a unos pocos µA, en cuyo caso el consumo de corriente dominante será el del divisor de realimentación, que en el circuito de ejemplo consume unos 37µA. Utilizando la misma ecuación, para un evento de 400 ms, el droop durante el transitorio es: ∆V = 40µA - 0,4s/1000µF = 16mV. Está claro que la mayor caída se produce durante la pérdida de potencia inicial.

Una última cosa que hay que tener en cuenta es lo que ocurre cuando el transitorio termina y se reanuda el funcionamiento normal. La señal de FALLO se apaga en cuanto la clavija RUN/SS supera el umbral, pero el regulador no es capaz de suministrar toda la corriente hasta que la clavija RUN/SS alcanza unos 2V. Puede ser necesario crear un pequeño retardo, quizás por software, entre el momento en que se apaga la señal de FALLO y el momento en que se solicita la corriente completa.

El LT3509 evita las corrientes de arranque mediante una función de arranque suave con limitación de corriente, que permite que la corriente de salida disponible aumente lentamente. El límite de corriente de pico y el límite de corriente de valle (el detectado por los diodos de captura) están controlados por la tensión en los pines RUN/SS, de modo que cuando los condensadores C6 y C7 se cargan, la corriente de salida aumenta lentamente hasta su valor máximo normal. En la figura 3 se muestra un ejemplo de la característica de arranque suave.

Figura 3: Formas de onda de arranque suave.

El rendimiento del arranque suave de la aplicación de la Figura 1 se comprueba con la configuración que se muestra en la Figura 4. Una alimentación conmutada produce una entrada normal o una sobretensión transitoria. La salida está conectada a un circuito de carga activa cuya activación y desactivación está controlada por la señal de FALLO. La figura 5 muestra el inicio del evento de sobretensión en una base de tiempo rápida para mostrar el paso que se produce cuando el regulador se detiene, pero antes de que se reduzca la carga. La figura 6 muestra el transitorio completo de 400 ms y la caída que se produce cuando no hay salida, pero también muy poca carga. La figura 7 muestra el final del acontecimiento en una escala temporal ampliada.

Figura 4: Instalación de prueba y demostración.

Figura 5: Transición al modo de conducción.

Figura 6. Completa el evento de paso.

Figura 7. Fin del examen de conducir.

Los transitorios de sobretensión son una realidad en los sistemas eléctricos de la automoción y la industria. El LT3509, junto con un pequeño condensador de bajo coste, puede utilizarse para proteger los componentes de los transitorios de sobretensión y permitir que los sistemas posteriores se recuperen del evento sin tener que reiniciar completamente. Es posible superar una sobretensión transitoria, incluso de varios cientos de milisegundos, siempre que se pueda tolerar una breve interrupción del servicio.

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