Supera la escasez de MLCC reduciendo las necesidades de capacidad en tus fuentes de alimentación
La oferta mundial de condensadores cerámicos multicapa (MLCC) no sigue el ritmo de la demanda. Esto se debe en gran medida a la mayor complejidad electrónica de los teléfonos móviles, al aumento de las ventas de coches eléctricos y a la expansión mundial de los contenidos electrónicos en todos los sectores. Algunos teléfonos inteligentes han duplicado el uso de MLCC en pocos años; un vehículo eléctrico puede cuadruplicar el uso en comparación con un típico motor de combustión interna moderno (Figura 1). La escasez de suministros de MLCC que surgió a finales de 2016 ha dificultado especialmente la obtención de los productos de alta capacidad (decenas de µF o más) necesarios para hacer funcionar las prolíficas fuentes de alimentación utilizadas en los dispositivos electrónicos más recientes. Los fabricantes que buscan reducir sus necesidades de MLCC recurren inevitablemente a los requisitos de los condensadores de las fuentes de alimentación, especialmente de los reguladores de conmutación. Esto sitúa a los diseñadores de fuentes de alimentación en la vanguardia para mitigar la escasez de condensadores.
(a).
(b). Figura 1. El aumento del uso mundial de los MLCC en los coches eléctricos (a) y los teléfonos móviles (b), sin un aumento proporcional de la producción, ha provocado escasez.1
Los circuitos de alimentación utilizan condensadores, muchos condensadores
Un típico convertidor de CC a CC tipo buck utiliza los siguientes condensadores (ver Figura 2):
- Condensador de salida : Suaviza tanto la ondulación de la tensión de salida como la corriente de carga de alimentación durante los transitorios de carga. Normalmente, se utiliza un condensador grande de varias decenas de μF a 100 μF.
- Condensador de entrada: Además de estabilizar la tensión de entrada, desempeña la función de suministrar instantáneamente la corriente de entrada. En general, se utilizan de varios μF a varias decenas de μF.
- Condensador de derivación: Absorbe el ruido generado por las operaciones de conmutación y el ruido de otros circuitos. Se suelen utilizar de 0,01 μF a 0,1 μF.
- Condensador de compensación: Asegura el margen de fase en el bucle de retroalimentación y evita las oscilaciones. A menudo se utilizan varios cientos de pF o varias decenas de nF. Algunos circuitos integrados reguladores de conmutación incorporan el condensador de compensación.
Figura 2: Condensadores utilizados en un regulador buck típico.
La mejor manera de reducir la capacitancia es centrarse en minimizar los condensadores de salida. A continuación se explora una estrategia para reducir la capacitancia de salida, seguida de soluciones para reducir la necesidad de condensadores de derivación y, en cierta medida, de condensadores de entrada.
Aumenta la frecuencia de conmutación para reducir la capacitancia de salida
La figura 3a muestra un diagrama de bloques típico de un convertidor buck en modo corriente, en el que la zona sombreada representa el bucle de realimentación y el circuito de compensación.
(a).
(b) Figura 3: Diagrama de bloques de un controlador buck típico (a) y característica de retroalimentación típica (b).
La característica del bucle de retroalimentación se muestra en la figura 3b. La frecuencia a la que la ganancia del bucle es de 0 dB (ganancia = 1) se llama frecuencia de cruce (fC). Cuanto mayor sea la frecuencia de cruce, mejor será la respuesta de paso de carga del regulador. Por ejemplo, la figura 4 muestra la respuesta al escalón de carga de un regulador que soporta un rápido aumento de la corriente de carga de 1 A a 5 A. Los resultados se muestran para frecuencias de cruce de 20 kHz y 50 kHz, dando caídas de 60 mV y 32 mV, respectivamente.
Figura 4: Comparación de las respuestas de paso de carga de un regulador buck a dos frecuencias de cruce.
A primera vista, aumentar la frecuencia de cruce parece una opción fácil: se mejora la respuesta al paso de carga minimizando la caída de tensión de salida, con lo que se reduce el condensador de salida. Sin embargo, el aumento de la frecuencia de cruce plantea dos problemas. En primer lugar, es necesario garantizar un margen de fase suficiente del bucle de retroalimentación para evitar las oscilaciones. En general, se requiere un margen de fase de 45° o más (preferiblemente 60° o más) en la frecuencia de cruce.
El otro problema es la relación entre la frecuencia de conmutación (fSW) y fc. Si tienen una magnitud similar, la retroalimentación negativa puede responder a la ondulación de la tensión de salida, amenazando el funcionamiento estable. Como guía, ajusta la frecuencia de cruce a una quinta parte (o menos) de la frecuencia de conmutación, como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Si la frecuencia de conmutación y la frecuencia de cruce del bucle de control están demasiado cerca, la retroalimentación negativa puede responder a la ondulación de la tensión de salida. Lo mejor es que la frecuencia de cruce sea inferior a una quinta parte de la frecuencia de conmutación.
Para aumentar la frecuencia de cruce, tienes que aumentar también la frecuencia de conmutación, lo que provoca mayores pérdidas de conmutación a través de los FET superiores e inferiores, reduciendo la eficiencia de la conversión y generando más calor. Cualquier ahorro en la capacitancia se ve compensado por la complejidad de los componentes adicionales de mitigación del calor: aletas, ventiladores o espacio extra en la placa.
¿Es posible mantener una alta eficiencia durante el funcionamiento a alta frecuencia? La respuesta es sí. Un número de Power by Linear™ los circuitos integrados reguladores de Analog Devices lo consiguen al incorporar un controlador FET único que mantiene una alta eficiencia incluso a frecuencias de conmutación más altas (Figura 6).
Figura 6. Potencia de los reguladores lineales en comparación con la competencia. En un controlador típico, a medida que aumenta la frecuencia de conmutación, disminuye la eficiencia. Los reguladores Power by Linear de ADI pueden mantener una alta eficiencia a frecuencias de funcionamiento muy altas, lo que permite utilizar condensadores de salida de menor valor.
Por ejemplo, el regulador buck de salida LT8640S de 6A mantiene una eficiencia superior al 90% en todo su rango de carga (de 0,5A a 6A) mientras funciona a 2MHz (entrada de 12V y salida de 5V).
Este regulador también reduce los requisitos de capacitancia al reducir la ondulación de la corriente del inductor (ΔIL), lo que a su vez reduce la tensión de rizado de salida (ΔVOUT) como se muestra en la figura 7. Del mismo modo, se puede utilizar una inductancia mucho menor.
Figura 7. Aumenta las frecuencias de conmutación para reducir el tamaño del condensador y la inductancia.
Con una frecuencia de conmutación más alta, se puede aumentar la frecuencia de cruce, lo que mejora la respuesta al paso de carga y la regulación de la carga, como se muestra en la figura 8.
Figura 8. Aumentando la frecuencia de conmutación se consigue una mejor respuesta al paso de la carga.
Los reguladores del Conmutador Silencioso reducen significativamente la capacidad de derivación
¿Y si se reduce la capacidad de derivación? La función principal del condensador de derivación es absorber el ruido generado por la propia operación de conmutación. Si se reduce el ruido de conmutación por otros medios, se puede reducir el número de condensadores de derivación. Una forma especialmente fácil de conseguirlo es utilizar un Conmutador Silencioso® regulador.
¿Cómo reduce el ruido de conmutación un regulador Silent Switcher? Un regulador de conmutación tiene dos bucles de corriente: cuando el FET superior está encendido y el FET inferior está apagado (bucle rojo) y cuando el FET superior está apagado y el FET inferior está encendido (bucle azul), como se muestra en la figura 9. El bucle caliente transporta una corriente alterna totalmente conmutada, es decir, de cero a IPEAK y volver a cero. Tiene la mayor energía ac y EMI, ya que produce el campo magnético cambiante más fuerte.
Figura 9. El bucle caliente de un regulador de conmutación produce la mayor parte del ruido radiado debido al campo magnético alterno que genera.
El control de la velocidad de giro se puede utilizar para suprimir el ruido de conmutación reduciendo la velocidad de cambio de las señales de puerta (disminuyendo di/dt). Aunque es eficaz para suprimir el ruido, esto aumenta las pérdidas de conmutación, produciendo calor adicional, sobre todo a altas frecuencias de conmutación, como se ha descrito anteriormente. El control de la velocidad de barrido es eficaz en determinadas condiciones y Analog Devices también ofrece soluciones con esta función.
Los reguladores del Conmutador Silencioso suprimen el ruido electromagnético generado por el bucle caliente sin control de la velocidad de giro. En cambio, divide la tensión VEN el campo magnético resultante se limita a la zona cercana al CI, y se reduce mucho en el resto, con lo que se minimiza el ruido de conmutación radiado (Figura 10). El campo magnético resultante se limita a la zona cercana al CI, y se reduce considerablemente en el resto, con lo que se minimiza el ruido de conmutación radiado (Figura 10).
Figura 10. Tecnología patentada de conmutación silenciosa.
El LT8640S, la segunda generación de esta tecnología -Silent Switcher 2 (Figura 11)- incorpora los condensadores de entrada en el CI. Esto asegura la máxima supresión de ruido, eliminando la necesidad de colocar cuidadosamente los condensadores de entrada en el diseño. Por supuesto, esta característica también reduce la necesidad de MLCC. Otra característica, la modulación de frecuencia de espectro extendido, reduce los picos de ruido cambiando dinámicamente la frecuencia de conmutación. La combinación de estas características permite que el LT8640S supere fácilmente las normas CISPR 25 Clase 5 de EMC para automóviles (Figura 12).
Figura 11. La tecnología Silent Switcher 2 de ADI integra los tapones de entrada en el CI, lo que simplifica el diseño y mejora la supresión del ruido.
Figura 12. La combinación de funciones de supresión de ruido en un dispositivo Silent Switcher 2, como el LT8640S, permite cumplir fácilmente los límites de pico de la clase 5 de la norma CISPR 25, incluso con una capacidad de entrada y derivación reducida 
Conclusión
Los dispositivos Power by Linear de ADI pueden ayudar a reducir los requisitos de MLCC, ayudando a los diseñadores a superar la escasez de MLCC. Los requisitos de capacitancia de salida se reducen al utilizar un funcionamiento de alta frecuencia, manteniendo una eficiencia excepcionalmente alta. Los dispositivos con la arquitectura del Conmutador Silencioso suprimen significativamente el ruido EMI, reduciendo la necesidad de condensadores de derivación. Los dispositivos Silent Switcher 2 reducen aún más la necesidad de los MLCC.
Referencias
1 Robin Blackwell. "Presentación a los inversores en febrero de 2018." KEMET, febrero de 2018.
Seago, John. "La arquitectura OPTI-LOOP reduce la capacitancia de salida y mejora la respuesta transitoria" Analog Devices, Inc, agosto de 2007.
Zhang, Henry J. "Modelado y diseño de la compensación de bucle para fuentes de alimentación conmutadas" Analog Devices, Inc, febrero de 2016.
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