Los controladores DC/DC de tercera generación reducen el tamaño y el coste

Introducción

Los LTC1735 y LTC1736 son los últimos miembros de la tercera generación de controladores CC/CC de Linear Technology. Estos controladores utilizan la misma arquitectura de frecuencia constante y modo corriente, así como el modo ráfaga funcionamiento como la generación anterior de controladores LTC1435-LTC1437, pero con una funcionalidad mejorada. Con OPTI-LOOP compensación, nuevos circuitos de protección, una regulación de carga más estricta y potentes controladores MOSFET, estos controladores son ideales para las actuales y futuras generaciones de aplicaciones de potencia de la CPU.

Figura 1: Circuito de evaluación del LTC1736: un completo convertidor de 5V-24V a 0,9V-2V/12A en 2,15in2 del espacio de la tarjeta de PC.

El LTC1735 es compatible con la generación anterior de controladores LTC1435/LTC1435A, con sólo pequeños cambios en los componentes externos. Las funciones de protección incluyen la limitación interna de la corriente de retroceso, la barra de sobretensión de salida y la desconexión opcional por cortocircuito. La referencia de 0,8V ±1% proporciona las bajas tensiones de salida y la precisión del 1% que requerirán los futuros microprocesadores. La frecuencia de funcionamiento (sincronizable hasta 500 kHz) se ajusta mediante un condensador externo, lo que permite la máxima flexibilidad para optimizar el rendimiento.

El LTC1736 tiene todas las características del LTC1735, además de la programación del voltaje para la alimentación de la CPU, en un paquete SSOP de 24 obleas. La tensión de salida en las aplicaciones del LTC1736 está programada por un convertidor digital-analógico (DAC) de 5 bits que ajusta la tensión de salida de 0,925 V a 2,00 V, según la especificación VID móvil de Intel.

Detalles

Los LTC1735 y LTC1736 son reguladores de conmutación reductores síncronos que accionan MOSFETs de potencia de canal N externos mediante una arquitectura OPTI-LOOP de frecuencia fija programable. La compensación OPTI-LOOP elimina efectivamente las restricciones impuestas a COUT por otros controladores para un funcionamiento correcto (como los límites de la ESR baja). Un límite de ciclo de trabajo máximo del 99% permite un funcionamiento con pocas pérdidas, lo que amplía el tiempo de funcionamiento de los sistemas que funcionan con baterías. Una clavija de control continuo forzado reduce el ruido y las interferencias de RF y puede ayudar a la regulación del devanado secundario desactivando el modo de ráfaga cuando la salida principal está poco cargada. El arranque suave lo proporciona un condensador externo que puede utilizarse para secuenciar correctamente las fuentes de alimentación. El nivel de corriente de funcionamiento es programable por el usuario mediante una resistencia de detección de corriente externa. Un amplio rango de suministro de entrada permite el funcionamiento desde 3,5V hasta 30V (36V como máximo).

Protección

Las nuevas funciones de protección interna de los controladores LTC1735 y LTC1736 incluyen la limitación de la corriente de retorno, la detección de cortocircuitos, el bloqueo por cortocircuito y la protección por sobretensión. Estas funciones protegen de los fallos a la placa de circuito impreso, a los MOSFETs y a la propia carga (la CPU).

Protección contra fallos: desconexión por sobrecorriente

El pin RUN/SS, además de proporcionar la capacidad de arranque suave, también apaga el controlador y lo bloquea cuando se detecta una condición de sobrecorriente. El condensador RUN/SS, CSS(ver Figura 5) se utiliza inicialmente para encender y limitar la corriente de entrada del regulador. Después de poner en marcha el regulador y darle tiempo suficiente para cargar el condensador de salida y proporcionar una corriente de carga completa, CSS se utiliza como temporizador de cortocircuito. Si la tensión de salida cae por debajo del 70% de su tensión nominal de salida después de CSS alcanza los 4,2V, se supone que la salida está en una condición de sobrecorriente y/o cortocircuito grave y CSS comienza a descargarse. Si esta condición dura un periodo de tiempo suficientemente largo, determinado por el tamaño de CSSel programador se detendrá hasta que la tensión de la clavija RUN/SS se recicle.

Este latch incorporado puede anularse suministrando >5µA a 4V de conformidad a la patilla RUN/SS (consulta la hoja de datos del LTC1735/LTC1736 para más detalles). Esta corriente externa acorta el periodo de arranque suave, pero también evita la descarga neta del condensador RUN/SS durante una condición de sobrecorriente y/o cortocircuito grave.

¿Por qué debes anular el bloqueo por sobrecorriente? Durante la fase de creación de prototipos de un diseño, puede haber un problema de captación de ruido o una mala disposición que haga que el circuito de protección se bloquee. Si desactivas esta función, podrás solucionar fácilmente los problemas del circuito y del diseño del PC. La detección interna de cortocircuitos y la limitación de la corriente de retorno permanecen activas, protegiendo el sistema de alimentación de los fallos. Una vez completado el diseño, puedes decidir si activas o no la función de bloqueo.

Protección contra fallos: Límite de corriente y corriente de retorno

El comparador de corriente LTC1735/LTC1736 tiene una tensión de detección máxima de 75 mV, lo que da lugar a una corriente máxima del MOSFET de 75 mV/RSENTIDO. El LTC1735/LTC1736 incluye un repliegue de corriente para ayudar a limitar aún más la corriente de carga cuando la salida está en cortocircuito a tierra. Si la salida cae más de la mitad, la tensión de detección máxima se reduce gradualmente de 75 mV a 30 mV. En condiciones de cortocircuito con un ciclo de trabajo muy bajo, el LTC1735/LTC1736 empezará a saltarse ciclos para limitar la corriente de cortocircuito. En esta situación, el MOSFET inferior estará encendido la mayor parte del tiempo, transportando la corriente. La corriente media de cortocircuito será de unos 30mV/RSENTIDO. Ten en cuenta que esta función está siempre activa y que es independiente del bloqueo por cortocircuito.

Protección contra fallos: Protección contra sobretensión de salida (OVP)

Una palanca de sobretensión de salida enciende el MOSFET síncrono para fundir un fusible del sistema en el cable de entrada cuando la salida del regulador sube mucho más que los niveles nominales. La palanca puede transportar corrientes enormes, mayores que las del funcionamiento normal. Esta función está diseñada para proteger contra un MOSFET superior en cortocircuito o contra cortocircuitos en los carriles de alimentación superiores; no protege contra un fallo del propio regulador.

Los anteriores sistemas de bloqueo de palanca para la protección contra la sobretensión presentan una serie de problemas (véase la Tabla 1). Uno de los más evidentes, si no el más molesto, es el de los disparos molestos causados por ruidos o transitorios que superan momentáneamente el umbral de sobretensión. Siempre que esto ocurra con un PVO de enclavamiento, será necesario un reinicio manual para volver a poner en marcha el regulador. Mucho más sutil es la inversión de la tensión de salida resultante. Cuando el MOSFET síncrono se enciende, se carga una gran corriente inversa en el inductor mientras se descarga el condensador de salida. Cuando la tensión de salida llega a cero, no se detiene ahí, sino que continúa siendo negativa hasta que se agota la corriente inversa en el inductor. Esto requiere un diodo Schottky lo suficientemente grande en la salida para evitar una tensión negativa excesiva en el condensador de salida y en la carga.

Tabla 1. Comparación de la protección contra la sobretensión
Condición de funcionamientoCierre suavePestillo duro
Transitorios rápidosSuperar los controlesCerraduras desactivadas
Salida en cortocircuito a 5VSalida bloqueada en OVPCerraduras desactivadas
Disminución de la tensión VIDRegula la nueva tensiónEnciende los interruptores
RuidoControles de salidaCerraduras desactivadas
MOSFET superior en cortocircuitoSobrecarga del MOSFET inferiorMenor sobrecarga del MOSFET
La tensión de salida puede invertirseNo
Cuando se elimina la sobrecargaReanuda el funcionamiento normalPermanece bloqueado
Solución de problemasMediciones sencillas de CCDifícil; puede requerir osciloscopios digitales

Otro problema que se cierne sobre los circuitos OVP de enclavamiento es su incompatibilidad con los cambios de voltaje del núcleo de la CPU sobre la marcha. Si se reprograma una tensión de salida de una tensión más alta a una más baja, el OVP indicará temporalmente un fallo, ya que el condensador de salida mantendrá momentáneamente la tensión de salida anterior, más alta. Con un PVO de enclavamiento, el resultado será otro enclavamiento, con un reinicio manual necesario para alcanzar la nueva tensión de salida. Para evitar este problema, el umbral de OVP debe establecerse por encima de la tensión de salida máxima programable, lo que sería de poca utilidad si la tensión de salida se programara cerca de la parte inferior de su rango.

Para evitar estos problemas con los circuitos OVP de enclavamiento tradicionales, el LTC1735 y el LTC1736 utilizan un nuevo circuito OVP de «enclavamiento suave». En cualquiera de los dos modos de funcionamiento, el MOSFET síncrono se enciende en cuanto la tensión de salida supera el punto de regulación en más de un 7,5%. Sin embargo, si la tensión vuelve entonces a un nivel seguro, se permite reanudar el funcionamiento normal, evitando el enclavamiento causado por el ruido o la reprogramación de la tensión. Sólo en el caso de un fallo real, como un MOSFET superior en cortocircuito, el MOSFET síncrono permanecerá bloqueado hasta que la tensión de entrada se colapse o el fusible del sistema se funda.

El nuevo PVO de enclavamiento suave también facilita la protección y el diagnóstico de otros fallos de sobretensión, como un carril de alimentación inferior en cortocircuito con una tensión superior. En este caso, la tensión de salida del regulador superior desciende hasta la tensión OVP del regulador de bloqueo suave, lo que permite diagnosticar fácilmente el problema con mediciones de CC. Por otro lado, la pinza OVP sólo proporciona unos pocos milisegundos de conocimiento del fallo cuando se dispara, lo que obliga a utilizar costosos osciloscopios digitales para la localización de averías.

Tres modos de funcionamiento/un pin: Sincronización, desactivación de ráfagas y regulación secundaria

El pin FCB es un pin multifunción que controla el funcionamiento del MOSFET síncrono y es una entrada para la sincronización del reloj externo. Cuando el pin FCB cae por debajo de su umbral de 0,8V, se fuerza el funcionamiento en modo continuo. En este caso, los MOSFET superior e inferior siguen siendo accionados de forma sincronizada, independientemente de la carga de la salida principal. El funcionamiento en modo ráfaga está desactivado y se permite la inversión de la corriente en el inductor.

Además de proporcionar una entrada lógica para forzar el funcionamiento síncrono continuo y la sincronización externa, la patilla FCB proporciona un medio para regular la salida de un bobinado flyback. Puede forzar el funcionamiento síncrono continuo cuando el devanado flyback lo necesite, independientemente de la carga en la salida primaria. Para evitar un funcionamiento errático si no se realiza una conexión externa, el pin FCB se pone en alto mediante una fuente de corriente interna de 0,25µA.

El oscilador interno del LTC1735 puede sincronizarse con un oscilador externo aplicando una señal de reloj de al menos 1,5 VP-P a la clavija del FCB. Cuando se sincroniza con una frecuencia externa, el funcionamiento en modo ráfaga se desactiva, pero el salto de ciclo se produce a bajas corrientes de carga, ya que se inhibe la inversión de la corriente. La puerta inferior se enciende cada 10 ciclos de reloj para garantizar que el bootstrap se mantiene actualizado y para mantener la frecuencia por encima del rango de audio. El flanco ascendente de un reloj externo aplicado al pin FCB inicia un nuevo ciclo.

El rango de temporización está entre 0,9 × fO a 1,3 × fOcon fO establecido por COSC. Intentar sincronizar a una frecuencia superior a 1,3 × fO puede dar lugar a una compensación insuficiente de la pendiente y provocar la inestabilidad del bucle con ciclos de trabajo elevados. Si se observa inestabilidad del bucle durante la sincronización, se puede conseguir una compensación adicional de la pendiente simplemente disminuyendo COSC. Un gráfico de la frecuencia de funcionamiento frente a COSC se muestra en la Figura 2.

Figura 2: COSC en función de la frecuencia para el LTC1435/36 y el LTC1735/36.

La Tabla 2 resume los posibles estados disponibles en el pin FCB.

Tabla 2. Posibles estados del FCB
Clavija del FCBCondición
Tensión DC: 0V-0,7VRáfaga deshabilitada/forzadamente continua, inversión de corriente habilitada
Tensión DC: > 0,9VModo ráfaga, sin inversión de corriente
Resistencias de retroalimentaciónControl del devanado secundario
(VFCBSYNC > 1.5V)Modo ráfaga desactivado, sin inversión de corriente

La figura 3 muestra una comparación de las eficiencias de un regulador para los tres modos de funcionamiento: funcionamiento continuo forzado, modo de salto de pulsos (sincronizado a f = fO) y el funcionamiento en modo ráfaga.

Figura 3: Eficiencia frente a la corriente de carga para los tres modos de funcionamiento.

Conversión a LTC1735

El LTC1735 es compatible con las clavijas del LTC1435/LTC1435A, con pequeñas modificaciones en los componentes. La Tabla 3 muestra las diferencias entre los dos controladores. Las cosas importantes que hay que tener en cuenta son las siguientes:

  1. El LTC1735 tiene una referencia de 0,8V (frente a los 1,19V del LTC1435) que permite el funcionamiento con una tensión de salida más baja (hasta 0,8V). Por tanto, habrá que recalcular el divisor de realimentación de salida para la misma tensión de salida.
  2. La tensión de detección de corriente máxima del LTC1735 es la mitad de la del LTC1435. Esto reduce a la mitad la potencia perdida en la resistencia de detección. Por lo tanto, para la misma corriente de salida máxima, la resistencia de detección de corriente debe reducirse a la mitad.
  3. Los controladores de puerta del LTC1735 son 3 veces más potentes que los del LTC1435. Esto equivale a tiempos de subida y bajada más rápidos para accionar los mismos MOSFETs y a la capacidad de accionar MOSFETs más grandes con menos pérdida de eficiencia debido a las pérdidas de transición.
Tabla 3. Comparación de los controladores LTC1735/36 con los controladores LTC1435A/36A-PLL
ParámetroLTC1735/1736LTC1435A/1436A-PLL
Referencia0.8V1.19V
Regulación de la carga0.1% típico, 0,2% máximo0.5% Typ 0,8% Max
Detección de corriente máxima75mV150mV
Tiempo mínimo de funcionamiento200ns300ns
SincronizableSólo LTC1436A-PLL
Int VCC Tensión5.2V (7V máx.)5V (10V máx.)
Potencia de salida buenaSólo LTC1736Sólo LTC1436A/36A-PLL
Comentarios actualesInternoExterior
Protección OV de la salidaNo
Salida OI Latch-OffOpcionalNo
PaquetesSO16, GN16/G24SO16, G16/GN24
Controladores MOSFET

Velocidad

Los LTC1735/LTC1736 están diseñados para ser utilizados en aplicaciones de mayor intensidad que la familia LTC1435. Los controladores de puerta más potentes permiten poner en paralelo varios MOSFETs o alcanzar frecuencias de funcionamiento más altas. El LTC1735 se ha optimizado para el funcionamiento con baja tensión de salida, reduciendo el tiempo mínimo de encendido a menos de 200 ns. Sin embargo, recuerda que las pérdidas de transición pueden seguir imponiendo importantes penalizaciones de eficiencia a altas tensiones de entrada y altas frecuencias. El hecho de que el LTC1735 pueda funcionar a frecuencias superiores a 300kHz no significa que deba hacerlo. La figura 4 muestra un gráfico de la corriente de carga del MOSFET en función de la frecuencia.

Figura 4: Corriente de carga de la puerta del MOSFET en función de la frecuencia.

Funcionamiento del comparador de corriente lineal

Como la tendencia del mercado ha obligado a que las tensiones de salida sean cada vez más bajas, las entradas de detección de corriente se han optimizado para el funcionamiento a baja tensión. El comparador de detección de corriente tiene una característica de respuesta lineal, sin discontinuidad, de 0V a 6V de tensión de salida. En el LTC1435/LTC1435A, se utilizan dos etapas de entrada para cubrir este rango, por lo que hay un solapamiento y una región de transición. El LTC1735/LTC1736 sólo utiliza una etapa de entrada e incluye una compensación de pendiente que funciona en todo el rango de tensión de salida. Esto permite que el LTC1735/LTC1736 funcione bajo RSENTIDO también aplicaciones.

LTC1736 Características adicionales

El LTC1736 incluye todas las características del LTC1735, además de un control VID móvil de 5 bits y un comparador de ventana de potencia en un encapsulado SSOP de 24 obleas. El comparador de ventana supervisa la tensión de salida y su salida de drenaje abierto se pone a nivel bajo cuando la tensión dividida no está dentro del ±7,5% de la tensión de referencia de 0,8V.

La tensión de salida se ajusta digitalmente a niveles entre 0,925V y 2,00V mediante las entradas de identificación de tensión (VID) B0-B4. El DAC interno de 5 bits, configurado como divisor de tensión resistivo de precisión, ajusta la tensión de salida en incrementos de 50 mV o 25 mV según la Tabla 4. Los códigos VID (00000-11110) son compatibles con los Intel Pentium® II. El LSB (B0) representa incrementos de 50mV en el rango de tensión superior (2,00V-1,30V) y de 25mV en el rango de tensión inferior (1,275V-0,925V). El MSB es B4. Cuando todos los bits están bajos o conectados a tierra, la tensión de salida es de 2,00V.

Tabla 4. Programación de la tensión de salida VID
B4B3B2B1B0VOUT (V)
2.000V
11.950V
11.900V
111.850V
11.800V
111.750V
111.700V
1111.650V
11.600V
111.550V
111.500V
1111.450V
111.400V
1111.350V
1111.300V
1111*
11.275V
111.250V
111.225V
1111.200V
111.175V
1111.150V
1111.125V
11111.100V
111.075V
1111.050V
1111.025V
11111.000V
1110.975V
11110.950V
11110.925V
11111**
Nota: *, ** representan códigos sin tensión de salida definida como se indica en las especificaciones de Intel. El LTC1736 interpreta estos códigos como entradas válidas y produce una tensión de salida de la siguiente manera [01111]=1.250V, [11111]=0.900V

El LTC1736 también tiene capacidad de detección remota. La parte superior del divisor resistivo interno se conecta a VOSENSE y está referenciado al pin SGND. Esto permite utilizar una conexión Kelvin para detectar a distancia la tensión de salida directamente a través de la carga, eliminando así cualquier error de resistencia de la placa de circuito impreso.

Aplicaciones

La figura 5 muestra una aplicación de 1,6V/9A con el LTC1735. La tensión de entrada puede oscilar entre 6V y 26V. La figura 6 muestra una aplicación VID con el LTC1736 optimizada para tensiones de salida de 1,6V a 1,3V con un rango de tensión de entrada de 5V a 24V.

Figura 5. Fuente de alimentación de la CPU de alta eficiencia 1,6V/9A.

Figura 6. Fuente de alimentación de la CPU de alta eficiencia, programable por VID, 0,9V-2,0V/12A.

Conclusión

Los LTC1735 y LTC1736 son los últimos miembros de la familia de controladores de canal N de alta eficiencia y frecuencia constante de Linear Technology. Con nuevas funciones de protección, un funcionamiento mejorado del circuito y potentes controladores de MOSFET, el LTC1735 es una actualización ideal del LTC1435/LTC1435A para aplicaciones de mayor corriente. Con el control VID integrado, el LTC1736 es ideal para aplicaciones de potencia de la CPU. El alto rendimiento de estos controladores, con un amplio rango de entrada, una referencia del 1% y una regulación de carga ajustada, los hace ideales para los diseños de próxima generación.


Pentium es una marca registrada de Intel Corp.

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