Uso de convertidores DC/DC tipo step-down

 

Gran parte de los PCB diseñados en la actualidad  contienen algún convertidor de potencia DC/DC. Estos dispositivos tienen una amplia aplicación en sistemas de fuentes de alimentación, paneles solares, motores de corriente continua, automóviles,  equipos médicos, wearables, computadoras, etc. Su uso en la industria electrónica es extenso, pero también generan complicaciones en los diseños de dispositivos electrónicos si no se tiene cuidado con ciertos fenómenos que algunas veces suelen dejarse a un lado como es el caso de las interferencias electromagnéticas (EMI). 

La entrada a un convertidor DC/DC es un voltaje DC no regulado (Vg). El convertidor produce un voltaje de salida regulado (V), que tiene una magnitud (y posiblemente polaridad) que difiere de Vg. Por ejemplo, en una fuente de alimentación de una computadora, el voltaje de la red de 120 V o 240 V de CA se rectifica, produciendo un voltaje de CC de aproximadamente 170 V o 340 V, respectivamente. Luego, un convertidor DC/DC reduce el voltaje a los 5 V o 3,3 V regulados requeridos por los circuitos integrados del procesador. En todo sistema de potencia vamos a necesitar una alta eficiencia la cual casi nunca va a llegar al 100% en la mayoría de los convertidores DC/DC, esto se debe a diversos factores, aunque normalmente encontramos un rango de 75% a 95% para la mayoría de convertidores. 

Esto es posible gracias al uso de circuitos de modo conmutado, o chopper, cuyos elementos disipan una potencia insignificante. La modulación de ancho de pulso (PWM) permite el control y la regulación del voltaje de salida total. Este enfoque también se emplea en aplicaciones que implican alternar corriente, incluidos los convertidores de potencia de CC-CA de alta eficiencia (inversores y amplificadores de potencia), los convertidores de potencia de CA-CA y algunos convertidores de potencia de CA-CC (rectificadores de bajo armónico).

Figura 1. Ejemplo de buck converter. 

En la Fig. 1 se ilustra un circuito básico de convertidor DC/DC conocido como convertidor reductor (buck converter). Un interruptor de un solo polo de doble tiro (SPDT) está conectado a la tensión de entrada DC Vg como se muestra. El voltaje de salida del interruptor vs (t) es igual a Vg cuando el interruptor está en la posición 1, y es igual a cero cuando el interruptor está en la posición 2. La posición del interruptor varía periódicamente, de modo que vs (t) es una forma de onda rectangular que tiene un período Ts y un ciclo de trabajo D. El ciclo de trabajo es igual a la fracción de tiempo que el interruptor está conectado en la posición 1 y, por lo tanto, 0 ≤ D ≤ 1. La frecuencia de conmutación fs es igual a 1 / Ts. En la práctica, el interruptor SPDT se realiza utilizando dispositivos semiconductores como diodos, MOSFET de potencia, IGBT, BJT o tiristores. Las frecuencias de conmutación típicas se encuentran en el rango de 1 kHz a 2 MHz, dependiendo de la velocidad de los dispositivos semiconductores.

Figura 2. Forma de onda del voltaje del Switch. 

La red del conmutador cambia el componente DC del voltaje. Según el análisis de Fourier, el componente DC de una forma de onda viene dado por su valor promedio. El valor promedio de vs (t) viene dado por: 

La integral es igual al área bajo la forma de onda, o la altura Vg multiplicada por el tiempo DTs. Se puede ver que la red de conmutadores reduce el componente DC del voltaje en un factor igual al ciclo de trabajo D. Desde 0 ≤ D ≤ 1, el componente DC de Vs es menor o igual a Vg.

La potencia disipada por la red del conmutador es idealmente igual a cero. Cuando los contactos del interruptor están cerrados, el voltaje a través de los contactos es igual a cero y, por lo tanto, la disipación de potencia es cero. Cuando los contactos del interruptor están abiertos, entonces hay corriente cero y la disipación de energía es nuevamente igual a cero. Por lo tanto, la red de conmutación ideal es capaz de cambiar el componente DC del voltaje sin disipación de energía. Además del componente de voltaje DC deseado Vs, la forma de onda del interruptor vs(t) también contiene armónicos no deseados de la frecuencia de conmutación. En la mayoría de las aplicaciones, estos armónicos deben eliminarse, tal que el voltaje de salida del convertidor v (t) es esencialmente igual al componente DC V=Vs. Se utiliza un filtro de paso bajo para este propósito. El convertidor de la Fig. 1 contiene un filtro de paso bajo L-C de un solo orden. El filtro tiene una frecuencia de corte f0 dada por:

La frecuencia de corte f0 se elige para que sea suficientemente menor que la frecuencia de conmutación fs, de modo que el filtro pase esencialmente solo el componente DC de vs (t). En la medida en que el inductor y el condensador son ideales, el filtro elimina los armónicos de conmutación sin disipación de potencia. Por lo tanto, el convertidor produce un voltaje de salida DC cuya magnitud es controlable a través del ciclo de trabajo D, utilizando elementos de circuito que (idealmente) no disipan energía.

Ahora toda esta explicación sobre convertidores DC/DC es un poco compleja de entender, pero necesaria de interpretar para poder comprender el funcionamiento de los circuitos integrados que cumplen con estas funciones. Por fortuna los fabricantes de componentes electrónicos han desarrollado infinidad de dispositivos con topologias de tipo buck converter, por ello no tenemos que aplicar formulas con integrales o derivadas difíciles de comprender, solo tenemos que mirar detalladamente los datasheet para comprender como diseñar nuestro convertidor DC/DC de manera eficiente. 

Buck converter: Como su nombre lo indica, el convertidor reductor o reductor convierte un voltaje de entrada más alto en un voltaje de salida estabilizado más bajo. Un diagrama de circuito simplificado y las principales formas de onda de corriente y voltaje se muestran en la figura 3.

 

 Figura 3. Esquema y características simplificadas del Buck Converter.

Como mencione anteriormente el mercado tiene una amplia oferta de circuitos integrados que cumplen con esta función. He trabajado con muchos buck converter, pero últimamente he estado usando en mis diseños chip de Texas Instrument. Uno de sus buck converter que me ha llamado gratamente la atención es el TPS565208 el cual es un buck converter de 5A asíncrono simple y fácil de usar y adicionalmente su encapsulado es  SOT-23. En la actualidad la mayoría de convertidores poseen encapsulados tipo QFN los cuales disminuyen las interferencias EMI o posibles ruido, pero complican el ensamblaje de PCB en el caso de hacerlo de forma manual. 

El TPS565208 tiene un rango de voltaje de entrada de 4.5 V a 17 V y un rango de voltaje de salida de 0.76 V a 7 V. Puede ofrecer un máximo de corriente a la salida de 5A. Tanto para el voltaje de salida como la corriente de salida es necesario aplicar varios cálculos basados en las formulas encontradas en el datasheet, de esta forma se puede personalizar el diseño de acuerdo a las necesidades que tengamos. 

Figura 4. TPS565208

La figura 4 posee la configuración para un voltaje de salida de 5V y una corriente máxima de 4A. Para esta configuración es clave elegir un buen inductor y basado en las recomendaciones de Texas Instrument elegí el inductor PA5003.332NLT. Para los condensadores se deben seguir las recomendaciones del fabricante y es importante tener en cuenta el factor DC bias en la capacitancia de los condensadores a la salida. Si se sigue las recomendaciones de layout para el PCB el dispositivo debe funcionar sin problemas. Esta implementación es una excelente opcion para muchos dispositivos que necesitan trabajar con voltajes altos y reducirlos a 5V o 3.3V con corrientes de salida mayores a 2A. 

Elegir un buck converter depende de muchos factores, uno de ellos es que cuente con un stock elevado en Digikey o Mouser, otro es que el fabricante ponga a disposición los modelos de simulación. Cuando simulo las etapas de potencia de un diseño minimizo los riesgos y detecto fallas que puedan presentarse en el curso del desarrollo de un prototipo electrónico. Otro importante detalle es que el chip sea utilizado en diversidad de productos, esto suele ser un buen indicador, para ello recurro a la búsqueda de información en foros y en GOOGLE. Al final el diseñador es quien decide cual circuito integrado debe utilizar.

Fuentes: DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE Practical tips for the User. Steve Roberts M.Sc. B.Sc.

DC-DC Power Converters. Robert W. Erickson

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