¿Pueden los convertidores CC-CC boost no sincronizados (con un diodo de captura) seguir teniendo bajas emisiones?

Resumen

Este artículo trata de mostrar cómo los convertidores no sincronizados con diodos de captura discretos pueden seguir logrando bajas emisiones. Presentará los diferentes tipos de convertidores, diseños y paquetes, y explicará por qué la conmutación controlada es eficaz. También detallará los resultados de las pruebas de los circuitos de evaluación de baja EMI para la prueba de emisiones CISPR 25 Clase 5.

Introducción

Interruptor silencioso sincrónico^® han establecido el estándar de oro para una conversión potente,
conversión DC-DC compacta y silenciosa. En los últimos cinco años, hemos descubierto una plétora de estos convertidores buck y boost síncronos de baja EMI. Estos convertidores CC-CC han simplificado el diseño de la compatibilidad electromagnética del sistema en entornos de alta potencia y sensibles al ruido, como el preimpulso en frío, la alimentación de cadenas de LED de alta corriente y los sistemas de sonido con amplificadores de potencia de alto voltaje. Los reguladores boost monolíticos (interruptor de potencia integrado) ofrecen una solución eficiente y más compacta en comparación con un diseño basado en un controlador, y se suelen utilizar con tensiones de origen de 5 V, 12 V y 24 V.

Los interruptores síncronos integrados y su disposición única en silicio1 son parte de la salsa secreta de los convertidores Silent Switcher. Los interruptores integrados crean pequeños bucles calientes, que mantienen las emisiones al mínimo. Sin embargo, esto puede tener un coste, y los interruptores síncronos pueden no ser necesarios en todas las aplicaciones. Los convertidores conmutados pueden tener un coste menor si sólo se incorpora un interruptor de potencia en el silicio y podemos contar con un diodo de captura discreto externo y de bajo coste para que actúe como segundo interruptor. Esto es una práctica habitual para los convertidores de bajo coste, pero ¿se puede hacer cuando las bajas emisiones son importantes?

Los convertidores no síncronos con diodos de captura discretos pueden seguir logrando bajas emisiones. Las aplicaciones de conmutación de baja EMI con convertidores no síncronos pueden diseñarse prestando especial atención tanto a la disposición del bucle caliente como a la velocidad del flanco de conmutación dV/dt. La incorporación de una reducción adicional de las emisiones con la modulación de frecuencia de espectro ensanchado (SSFM) es esencial. Los reguladores de conmutación monolíticos, como el controlador de LED no síncrono LT3950 de 60 V y 1,5 A y el convertidor boost no síncrono LT8334 de 40 V y 5 A, tienen un único interruptor de potencia en el lado bajo integrado en sus dispositivos, pero dependen de diodos de captura externos y consiguen bajas emisiones ¿Cómo funciona?

Figura 1: (a) Los convertidores boost monolíticos no sincronizados tienen un único bucle caliente, que incluye un diodo de captura externo. (b) Los convertidores Silent Switcher tienen dos bucles calientes (opuestos) e interruptores totalmente integrados.

Diodos de captura y tiempo muerto

Integrar un único interruptor de potencia en lugar de dos en un convertidor monolítico puede reducir
el tamaño de la matriz en un 30-40%. La reducción del tamaño de la matriz proporciona un ahorro directo en el coste del silicio y un ahorro adicional y secundario cuando el silicio puede caber en un paquete más pequeño. Aunque sigue siendo necesario algo de espacio en la placa de circuito impreso para un diodo de captura externo y discreto, estos diodos son abundantes, robustos y baratos. En un convertidor boost, una V baja_F funcionan con alta eficiencia a alta tensión de salida y bajo ciclo de trabajo, pudiendo superar a los caros FET de potencia de alta tensión.

Una de las razones puede ser el tiempo muerto. En los típicos convertidores síncronos, la conducción del diodo del cuerpo del conmutador de potencia se produce durante un tiempo muerto predefinido para evitar posibles catástrofes de disparo. El disparo se produce cuando el interruptor síncrono se enciende antes de que el interruptor principal pueda apagarse por completo, creando un cortocircuito directo a GND desde la entrada o la salida (buck o boost). El control del tiempo muerto puede ser un aspecto limitante en el diseño de los interruptores cuando la frecuencia de conmutación es alta y los límites del ciclo de trabajo son mínimos y máximos. Los diodos de captura de tensión de bajo coste y bajo paso eliminan la necesidad de una lógica de tiempo muerto en un interruptor: sencillo. En la mayoría de los casos, también superan la caída de tensión directa de los diodos de cuerpo inherente dentro de los interruptores de potencia (que conducen durante el tiempo muerto).

Disposición y recintos sencillos

En primer lugar, podemos empezar con un simple convertidor boost monolítico para demostrar un diseño básico. El controlador de LEDs LT3950 de 60 V y 1,5 A de la figura 2 tiene un único bucle caliente en la placa de circuito impreso. Este bucle caliente, resaltado en la Figura 3, sólo comprende el pequeño condensador cerámico de salida y el diodo de captura discreto de tamaño similar, PMEG6010CEH. Estos componentes encajan perfectamente en el encapsulado MSE de 16 capas del LT3950 y en los pines de conmutación y el plano GND de la placa térmica. ¿Es esto suficiente para conseguir bajas emisiones? Sin duda es parte de la ecuación. El encapsulado MSE de 16 hilos y el estrecho bucle caliente consiguen bajas emisiones cuando se combinan con el SSFM y un comportamiento de conmutación bien controlado (transiciones de los bordes de conmutación que no suenan debido a la altísima velocidad y a la inductancia parásita de la traza).

Figura 2. El bucle caliente no síncrono del LT3950 (DC2788A) incluye el diodo de captura D1. Sin embargo, el diodo de captura y el condensador de salida encajan perfectamente en el encapsulado MSE de 16 pines del LT3950. El nodo de conmutación no síncrono resaltado es pequeño y compacto, pero no imposible. La disposición del nodo de conmutación puede ser fundamental para conseguir resultados de bajas emisiones.

Figura 3. El controlador de LED LT3950 es un convertidor elevador monolítico no síncrono de 1,5 A y 60 V. El bucle caliente del convertidor boost, resaltado en amarillo, incluye un diodo de captura discreto sin comprometer las emisiones de alta frecuencia.

En segundo lugar, el interruptor único de un convertidor no síncrono puede utilizarse para crear una topología SEPIC (de subida y bajada), ampliando la utilidad más allá de la designación de refuerzo prevista. El interruptor único facilita la ruptura del bucle caliente del boost y la adición del condensador de acoplamiento SEPIC que se muestra en la Figura 4 y la Figura 5. La mayoría de los convertidores elevadores síncronos en los que los interruptores superior e inferior están conectados permanentemente a un único nodo de conmutación no pueden convertirse en SEPIC. El bucle caliente del SEPIC puede ser pequeño si se presta atención al bucle formado por el condensador de acoplamiento, el diodo de captura y el condensador de salida.

Figura 4. El CI reforzador monolítico LT8334 de 40 V y 5 A se utiliza en una aplicación SEPIC. El bucle caliente del convertidor SEPIC, resaltado en amarillo, incluye tanto un diodo de captura discreto como un condensador de acoplamiento sin comprometer las emisiones.

Figura 5. Un único interruptor no síncrono LT8334 de 40 V y 5 A cabe en un diminuto encapsulado DFN de 4 mm × 3 mm de 12 patillas térmicamente mejorado. La disposición en bucle caliente de un LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ) incluye este diminuto DFN, un condensador de acoplamiento cerámico, un condensador de salida cerámico y un pequeño diodo de captura.

El convertidor boost no síncrono LT8334 tiene un interruptor integrado de 5A y 40V. Este CI de convertidor boost monolítico es útil para hacer convertidores SEPIC de 12 V de salida. La figura 4 muestra un convertidor SEPIC estándar de 12 V y 2 A+ con un condensador de acoplamiento C1 y dos devanados inductivos de un inductor acoplado. Como el diminuto diodo de captura PMEG4030ER, D1, no está unido directamente al nodo de conmutación, el condensador de acoplamiento cerámico 0805 de 4,7 μF, que bloquea la corriente continua, puede colocarse fácilmente entre el diodo y el nodo de conmutación. La disposición del bucle caliente sigue siendo pequeña en la placa de evaluación SEPIC EVAL-LT8334-AZ. Mantener el cobre en el nodo de conmutación lo más pequeño posible y lo más cerca posible de la clavija de conmutación ayuda a minimizar las emisiones radiadas. Nota: Todo el bucle caliente está colocado en la capa 1 y no hay vías en el nodo del interruptor ni en el nodo del interruptor acoplado al otro lado del condensador de acoplamiento. Estos dos nodos de conmutación deben tener un tamaño mínimo y estar lo más cerca posible para obtener los mejores resultados. El encapsulado DFN de 12 hilos del LT8334 ayuda a mantener el bucle caliente y las emisiones lo más reducidas posible.

La conmutación controlada es eficiente

Los convertidores de conmutación monolíticos (con interruptor) son lo suficientemente eficientes como para reducir las emisiones cuando se combinan con SSFM, una frecuencia de conmutación fundamental de 2 MHz, un excelente diseño de la placa de circuito impreso y una conmutación bien controlada. Si son lo suficientemente eficientes, puede que no necesiten las ventajas extremas de la arquitectura Silent Switcher para reducir las emisiones (la arquitectura Silent Switcher es el estándar de oro para las emisiones ultrabajas, pero no es necesaria en todas las circunstancias sólo para pasar las normas de emisiones). En el LT3950 y el LT8334, el SSFM se propaga desde la frecuencia fundamental hasta un 20% más alta y viceversa, en un patrón triangular. El SSFM es una característica común de los reguladores de conmutación de baja EMI. Hay diferentes tipos de SSFM, pero el objetivo general de cada tipo es repartir la energía de las emisiones y reducir los puntos más altos de las emisiones máximas y medias por debajo de los límites exigidos. Uno de los objetivos de la frecuencia de conmutación de 2 MHz es situar la frecuencia fundamental de conmutación por encima del límite de la banda de radio AM (de 530 kHz a 1,8 MHz) para que la propia fundamental y todos sus armónicos creen emisiones sin perturbar la radio. Cuando no hay preocupación por la banda AM, se puede utilizar una frecuencia de conmutación más baja sin problemas.

Independientemente de la frecuencia de conmutación, el interruptor interno y el driver deben diseñarse cuidadosamente para evitar ciertos comportamientos indeseables, que conducen a un deterioro del rendimiento de la EMI en los convertidores de conmutación. Las formas de onda ultrarrápidas y de conmutación en anillo pueden causar emisiones no deseadas en el rango de 100 MHz a 400 MHz, que pueden ser más notables en las mediciones de emisiones radiadas. Un interruptor bien controlado dentro del CI debería actuar menos como un martillo de emisión y más como un eficaz mazo de goma con bordes de conmutación amortiguados. Un conmutador de potencia controlado sube y baja la tensión y la corriente a una velocidad ligeramente reducida de lo que es posible. La velocidad de conmutación de 2 V/ns y la ausencia de anillos en la figura 6b es un excelente ejemplo de esta conmutación controlada en un convertidor monolítico. Puedes ver la suavidad con la que esta conmutación interna se enciende y aterriza a 0 V, sin que se produzcan fuertes timbres más allá de eso. Esto contribuye en gran medida a los resultados de emisión del LT3950 (ver las figuras 9 a 11). Normalmente, en un regulador de conmutación monolítico, la velocidad de conmutación aumenta la potencia máxima y reduce la disipación de calor. Sin embargo, cuando se diseña cuidadosamente, menos puede ser más.

Figura 6. La velocidad de giro de conmutación controlada por el LT3950, de 2 V/ns hacia arriba y 2 V/ns hacia abajo, es eficaz para mantener una alta eficiencia y una baja EMI en aplicaciones de controladores LED con poco anillo de nodos de conmutación.

Controlador de refuerzo no síncrono con control de flujo de compuertas

En algún momento, la conversión DC-DC de alta potencia requiere un controlador e interruptores de alto voltaje y alta corriente externos al CI. En este caso, el controlador de puerta de un interruptor externo permanece dentro del CI, pero todo el bucle caliente de conmutación se mueve fuera del CI. Son posibles algunos bucles calientes y disposiciones creativas, pero el propio bucle caliente suele crecer debido al tamaño de los MOSFET discretos

El controlador boost LT8357 de alta potencia (no síncrono) proporciona 24 V, 2 A (48 W) con muy bajas emisiones. Activa un MOSFET de 3,5 mm × 3,5 mm a una baja frecuencia de conmutación para una conversión eficiente. Además del bucle caliente ajustado (Figura 7), también tiene pines de control de puerta ascendente y descendente para el control de la tasa de flancos y la reducción de emisiones. Una simple resistencia RP de 5,1 Ω (en el GATEP) es suficiente para reducir la velocidad del borde de encendido del MOSFET de potencia M1 y mantener las emisiones radiadas al mínimo. Por supuesto, algunos filtros de emisiones y el SSFM ayudan a reducir las emisiones. La placa de evaluación EVAL-LT8357-AZ dispone de una ranura adicional para una pantalla de emisión, pero puede no ser necesaria para la mayoría de las aplicaciones. Este controlador boost no síncrono, al igual que sus homólogos monolíticos, tiene todas las características necesarias para aplicaciones boost de alta potencia, baja EMI y SEPIC.

Figura 7. El controlador de refuerzo de alta tensión LT8357 tiene pines de puerta divididos para controlar por separado los flancos de subida y bajada del flanco de conmutación del MOSFET discreto de alta potencia. El contorno amarillo se centra en los pines de la puerta dividida.

Figura 8. El LT8357 boost Figura 7 muestra el mejor rendimiento de emisión y eficiencia con R_P = 5,1 Ω y R_N = 0 Ω. Las clavijas de control de la puerta separadas permiten un encendido controlado y un apagado rápido. En el diagrama, los colores representan: rojo R_P = 0, R_N = 5,1; R amarillo_P = 0, R_N = 0; verde R_P = 5.1, R_N = 0; y azul R_P = 5.1, R_N = 5.1.

La placa de evaluación EVAL-LT8357-AZ, pero puede no ser necesaria para la mayoría de las aplicaciones. Este controlador boost no síncrono, al igual que sus homólogos monolíticos, tiene todas las características necesarias para aplicaciones boost de alta potencia, baja EMI y SEPIC.

Pasa las emisiones CISPR 25 Clase 5

Los circuitos de evaluación de baja EMI, como el LT3950 DC2788A, han sido sometidos a numerosas pruebas de emisiones radiadas y conducidas. Los resultados de las pruebas de emisión de las Figuras 9 a 11 se obtuvieron con el SSFM activado, una entrada de 12 V y una corriente de 330 mA a través de una cadena de LEDs de 25 V. Los resultados de la CE para la sonda de corriente y el método de tensión superan los límites más estrictos. Es habitual tener problemas de CE en la banda de FM en los interruptores, pero el LT3950 se conforma con la banda de FM.

Figura 9. El DC2788A LT3950 supera (a) el promedio (b) y el pico de las emisiones conducidas de Clase 5 de la CISPR 25 (método de la sonda de corriente).

Figura 10. El DC2788A LT3950 supera tanto (a) el promedio como (b) el pico de las emisiones conducidas CISPR 25 Clase 5 (método de la tensión).

Figura 11. El DC2788A LT3950 supera (a) el promedio y (b) el pico de las emisiones radiadas CISPR 25 Clase 5.

Al ajustar la frecuencia de conmutación a 2 MHz (rango ajustable de 300 kHz a 2 MHz), las emisiones fundamentales de conmutación se mantienen por encima de la banda de radio AM (530 kHz a 1,8 MHz) y no suponen un problema, al tiempo que se elimina la necesidad de un voluminoso filtro LC para la banda AM en el extremo frontal. En cambio, los filtros EMI que utiliza el LT3950 pueden ser pequeñas bolas de ferrita de alta frecuencia.

El LT8334 SEPIC también tiene bajas emisiones a pesar del condensador de acoplamiento adicional en el bucle caliente y de los terminales adicionales del inductor acoplado (que duplica el número de nodos de conmutación). También utilizando 2 MHz y SSFM, el kit de evaluación EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT tiene bajas emisiones. El controlador de refuerzo EVAL-LT8357-AZ puede alcanzar un rendimiento similar. Los resultados completos de las emisiones, los esquemas y las opciones de prueba se pueden encontrar en las páginas de inicio de los productos de estos dispositivos en analog.com. En la Tabla 1 se presenta una nueva familia de convertidores boost y SEPIC no sincronizados de baja EMI. Los CI monolíticos y de control son útiles por su construcción sencilla, su bajo coste, sus múltiples topologías, su alta capacidad de potencia y sus bajas emisiones. También hay convertidores elevadores Silent Switcher de alta corriente cuando se requieren emisiones ultrabajas por encima de todo.

Tabla 1. Nuevos convertidores boost monolíticos de baja EMI con control de velocidad del flanco de conmutación
	V_EN Gama	SW1 integrado	SW2 integrado	f_SW	Impulsar	Buck-Boost	Paquete IC	AEC-Q100	Especial
LT8336	2.7 V a 40 V	2.5 A, 40 V	2.5 A, 40 V	300 k a 3 MHz + MFSS	✔	X	LQFN(16) 3 × 3 mm²	✔	4 μA Iq bajo Modo ráfaga PassThru™
LT8337	2.7 V a 28 V	5 A, 28 V	5 A, 28 V	300 k a 3 MHz + MFSS	✔	X	LQFN(16) 3 × 3 mm²		4 μA Iq bajo Modo ráfaga PassThru
LT3922-1	2.8 V a 36 V	2.3 A a 40 V	2.3 A a 40 V	200 k a 2 MHz + MFSS	✔	Buck-Boost Moda LED	QFN(28) 4 × 5 mm2	✔	Controlador LED HUD
LT8386	4 V a 56 V	3.3 A, 60 V	3.3 A, 60 V	200 k a 2 MHz + MFSS	✔	Buck-Boost Moda LED	LQFN(28) 4 × 5 mm2	✔	Controlador LED HUD
LT8362	2.8 V a 60 V	2 A, 60 V	X	300 k a 2 MHz + MFSS	✔	SEPIC	DFN(10) 3 × 3 mm2 MSOP16(12)	✔	9 μA Iq bajo Modo ráfaga
LT8333	2.8 V a 40 V	3 A, 60 V	X	300 k a 2 MHz + MFSS	✔	SEPIC	DFN(10) 3 × 3 mm2		9 μA Iq bajo Modo ráfaga
LT8364	2.8 V a 60 V	4 A, 60 V	X	300 k a 2 MHz + MFSS	✔	SEPIC	DFN(12) 4 × 3 mm2 MSOP16(12)	✔	9 μA Iq bajo Modo ráfaga
LT8334	2.8 V a 40 V	5 A, 60 V	X	300 k a 2 MHz + MFSS	✔	SEPIC	DFN(12) 4 × 3 mm2		9 μA Iq bajo Modo ráfaga
LT3950	3 V a 60 V	1.5 A, 60 V	X	300 k a 2 MHz + MFSS	✔	Buck-Boost Moda LED	MSOP(16)		Controlador LED
LT8357	3 V a 60 V	Controlador X	X	100 k a 2 MHz + MFSS	✔	SEPIC	MSOP(12)		8 μA Iq baja Modo ráfaga Puerta dividida
LT8356-1	5 V a 100 V	Controlador X	X	100 k a 2 MHz + MFSS	✔	Buck-Boost Moda LED	SS.QFN(20) 3 × 4 mm2	✔	Controlador LED

Conclusión

Los reguladores de conmutación monolíticos silenciosos y no síncronos pueden utilizarse en aplicaciones de bajas emisiones. Los convertidores boost no síncronos tienen un coste inferior al de los convertidores Silent Switcher de muy alto rendimiento. El segundo interruptor se sustituye por un diodo de captura de bajo coste, que tiene algunas ventajas a alta tensión y por la flexibilidad para reconfigurarse como un SEPIC. Las pequeñas carcasas de plástico y las pequeñas zonas de bucle de conmutación en caliente bien diseñadas de la placa de circuito impreso tienen bajas emisiones cuando la frecuencia de los bordes de conmutación de potencia está bien controlada con un timbre limitado. Estas características deben combinarse con otras de baja EMI, como los filtros SSFM y EMI. Incluso en los reguladores reforzados de alta potencia, el control del accionamiento de la puerta es útil para ralentizar y suavizar los bordes de conmutación para conseguir bajas emisiones. Presta especial atención a la mejor disposición posible de la capa superior del bucle caliente y elige bien tus convertidores CC-CC para los diseños de bajas emisiones. La familia de convertidores boost de baja EMI de Analog Devices puede ser justo lo que necesitas.

Referencias

¹Steve Knoth. "Alta densidad de potencia en un factor de forma pequeño" Diálogo analógicovo. 53, nº 4, octubre de 2019.

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