Reducir el tamaño y la complejidad de un controlador de puerta síncrono aislado

El enfoque tradicional para diseñar un convertidor CC-CC aislado con rectificación sincrónica es utilizar optoacopladores o transformadores de impulsos para el aislamiento y combinarlos con un CI controlador de puerta. Este artículo ilustrará las limitaciones de los optoacopladores y los transformadores de impulsos y presentará un enfoque más integrado, que ofrece mejores prestaciones y una solución mucho más pequeña en tamaño y coste.

Transformadores de pulsos

El uso de transformadores de impulsos para acoplar señales de bajo nivel, aislarlas y accionar interruptores de potencia tiene ventajas, pero tiene algunas limitaciones. Una de las ventajas del transformador de impulsos en las aplicaciones de accionamiento de compuertas es que puede utilizarse para escalar desde un nivel lógico de 3 V o 5 V hasta las tensiones de nivel superior de 15 V o más necesarias para accionar la compuerta de un MOSFET. Desgraciadamente, para accionar circuitos rectificadores síncronos de alta corriente, puede ser necesario un CI controlador de puerta de alta corriente independiente. Otra consideración y un inconveniente importante de los transformadores de impulsos en las aplicaciones de accionamiento de compuertas es que no manejan bien las señales que tienen un ciclo de trabajo superior al 50%. Esto se debe a que los transformadores sólo pueden emitir señales de corriente alterna, ya que el flujo del núcleo debe restablecerse cada medio ciclo para mantener el equilibrio tensión-segundo.

Otro inconveniente del transformador de impulsos es la pérdida de eficacia. Cuando se utiliza un transformador de impulsos para accionar la puerta de un MOSFET, el transformador debe ser accionado a un nivel positivo, seguido de un nivel negativo, para mantener un equilibrio voltios-segundo. La energía utilizada para pasar a un nivel negativo no se utiliza para accionar la puerta del MOSFET; la puerta se carga sólo con el nivel de tensión positivo. Para la aplicación típica en la que el transformador es accionado por una tensión continua positiva, se conecta un condensador de bloqueo de tensión continua a la entrada del transformador, y éste es accionado por una tensión positiva que es ½ de la tensión aplicada. Esto significa que la tensión negativa es también ½ de la tensión aplicada, por lo que la eficacia del transformador de impulsos se reduce al 50%. Si se añade un controlador de puerta a la salida del transformador, la eficiencia global del transformador y el controlador de puerta ya no será del 50%, pero seguirá habiendo una pérdida de eficiencia de al menos el 50% en el transformador de impulsos solo.

Aquí se ha demostrado que el transformador de impulsos en una aplicación de controlador de puerta tiene las desventajas de la limitación del ciclo de trabajo, la escasa eficiencia y el mayor tamaño de la solución, lo que lo hace indeseable para aplicaciones de rectificación sincrónica de alta potencia y densidad.

Optoacopladores

El uso de optoacopladores como controladores de puerta para la rectificación sincrónica puede ofrecer algunas ventajas sobre los transformadores de impulsos, pero el uso del optoacoplador conlleva sus propios retos. El optoacoplador no necesita mantener un equilibrio voltio-segundo como el transformador de impulsos, por lo que no tiene la misma limitación de ciclo de trabajo que el transformador de impulsos. Pero la velocidad de respuesta del optoacoplador está limitada por la capacitancia (60 pF típicos) del diodo emisor de luz (LED) en el lado primario, y conducir el diodo a velocidades de hasta 1 MHz puede estar limitado por su retardo de propagación (100 ns como máximo) y su lento tiempo de subida y bajada (30 ns como máximo).

Uno de los principales problemas del uso de optoacopladores para aplicaciones de rectificación sincrónica es la cantidad de variación de tiempo entre canales. Los optoacopladores se construyen como dispositivos discretos en un paquete de plástico, y la variación de un canal a otro no puede controlarse como en un proceso integrado de semiconductores, por lo que la coincidencia de canales puede ser grande (40 ns como máximo). En un circuito rectificador síncrono, la temporización entre canales debe estar muy controlada para ayudar a reducir el tiempo muerto entre el apagado de un canal y el encendido de otro, de lo contrario la eficiencia se verá afectada por el aumento de las pérdidas de conmutación.

Diseñar con optoacopladores puede ser un reto, debido a la naturaleza de la relación de transferencia de corriente (CTR), que define la relación entre la cantidad de corriente que se ve en el transistor de salida y la cantidad de corriente que se necesita para conducir el LED. El CTR se ve afectado por la temperatura y el envejecimiento, por lo que el diseñador debe estimar la variación del CTR a lo largo de la vida útil y el rango de temperatura del optoacoplador. Para mantener el CTR en condiciones de funcionamiento, la corriente necesaria para alimentar el LED puede ser superior a 10 mA, lo que puede representar una disipación de energía demasiado grande para los diseños de alta eficiencia.

Además, se necesitan resistencias para polarizar el LED y los fototransistores, y un CI controlador de puerta para suministrar las altas corrientes de pico que el optoacoplador no puede proporcionar para las fuentes de alimentación de rectificador síncrono de alta potencia. Para las fuentes de alimentación compactas de última generación, el tamaño de la solución del optoacoplador será prohibitivo.

ADUM3220 conductor de la puerta 4 A

El ADuM3220 ha sido diseñado para su uso como controlador de puerta de 4A en un sistema aislado para sistemas síncronos dc-to-dc conversión. Las soluciones tradicionales han utilizado dos aisladores y un controlador de puerta doble. Como se muestra en la figura 1, un CI conductor de puerta doble puede acoplarse a dos transformadores de impulsos o a dos canales de optoacopladores para conseguir una solución bastante amplia. Dado que las aplicaciones de potencia requieren grandes cantidades de energía en un área pequeña, el ADuM3220, como se muestra en la Figura 1, es más de un 50% más pequeño y una solución más integrada por menos coste.

La rectificación sincrónica utiliza Canal N MOSFETs en lugar de diodos para reducir las pérdidas de conducción y aumentar la eficiencia en las fuentes de alimentación en las que se deben suministrar muchos amperios de corriente. La implementación del sistema sincrónico dc-to-dc la arquitectura del convertidor requiere sincronizar la conmutación de los interruptores MOSFET secundarios con los primarios. La figura 2 muestra el circuito de aplicación del ADuM3220 para un convertidor síncrono aislado dc-to-dc convertidor con tensión de salida no regulada.

El sitio dc-to-dc envía señales de accionamiento PWM a los interruptores primario y secundario. Los interruptores primarios Q1 y Q2 se encienden en un push-pull con una interrupción de tiempo antes de hacer para conducir las dos bobinas primarias del transformador T1, como se muestra en las formas de onda de la Figura 2. La bobina secundaria de T1 debe conmutarse en sincronía con las bobinas primarias, encendiendo Q3 cuando enciendas Q1, y encendiendo Q4 cuando enciendas Q2. Nota: Las formas de onda PWM de Q3' y Q4', si se mostraran, se adelantarían en el tiempo por el conocido retardo de propagación del ADuM3220 para que Q3 y Q4 aparezcan en el tiempo como deberían. El ADuM3220 tiene un retardo de propagación típico de sólo 45 ns, que incluye el retardo del aislador digital y el retardo del controlador de puerta. Al integrar el controlador de puerta con el aislador, la especificación del retardo de propagación es más precisa, lo que supone una ventaja respecto a las soluciones de transformadores de impulsos y optoacopladores discretos

Cuando la conmutación PWM se realiza a una frecuencia alta, las señales de control PWM deben controlarse muy estrictamente. Por ejemplo, cuando la frecuencia PWM está en la frecuencia de conmutación máxima del ADuM3220 de 1 MHz y se utiliza un ciclo de trabajo del 50%, la anchura del pulso es de 500 ns. Con esta pequeña anchura de pulso, la adaptación entre los canales del ADuM3220 debe ser muy buena para proporcionar una conmutación precisa. El ADuM3220 tiene un canal a canal 1 ns de tiempo de coincidencia, con un máximo de 5 ns de temperatura. Esta precisa adaptación de canales del ADuM3220 evita la conducción cruzada y protege los MOSFETs de los daños, al tiempo que permite un tiempo muerto mínimo para reducir las pérdidas de conmutación y mejorar la eficiencia.

A continuación, consideraremos las aplicaciones en las que se utiliza la retroalimentación aislada para controlar estrechamente la tensión de salida, y el ciclo de trabajo no será un 50% fijo, sino que variará para controlar la tensión de salida. En estas aplicaciones, durante el tiempo en que los interruptores primarios están apagados, puede ser deseable que los interruptores Q3 y Q4 se enciendan al mismo tiempo para evitar que los diodos de cuerpo de Q3 y Q4 conduzcan, lo que sería menos eficiente. El circuito de aplicación ADuM3221 que se muestra en la Figura 3 es un controlador de puerta de 4A idéntico al ADuM3220, pero no tiene la lógica de control de no solapamiento, lo que permite que Q3 y Q4 estén encendidos al mismo tiempo. A diferencia del ADuM3220, el diagrama de temporización del controlador de puerta ADuM3221 con salida regulada que se muestra en la Figura 3 puede permitir que los interruptores Q3 y Q4 conduzcan cuando tanto Q1 como Q2 están apagados.

En resumen, para los circuitos síncronos aislados dc-to-dc los ADuM3220/ADuM3221 han demostrado que reducen el tamaño de la solución en más de un 50%, reducen la complejidad del diseño mediante la integración y proporcionan un rendimiento de temporización mucho mejor que las soluciones de transformadores de impulsos y optoacopladores.