Errores comunes que se deben evitar al usar módulos reguladores de CC/CC de rango medio

Los diseñadores han estado buscando piezas de carga inmediata, listas para usar, para proporcionar rieles de salida de CC de bajo voltaje en el rango de corriente moderada de 1 a 10 amperios, que cumplan con los objetivos de rendimiento básicos, así como con la eficiencia y los mandatos regulatorios. Si bien los proveedores ahora ofrecen muchos convertidores/reguladores de CC/CC adecuados y pequeños para satisfacer esta necesidad, no es prudente suponer que son simplemente piezas “de carga inmediata” que pueden olvidarse.

¿Cuál es la razón? A pesar de su aparente simplicidad, estos reguladores siguen siendo fuentes de energía que proporcionan niveles moderados de corriente a las cargas. Como módulos, todo lo que deben hacer los diseñadores es agregar algunos pasivos externos no críticos. Sin embargo, esta facilidad de uso puede causar que el diseñador se sienta tan confiado que ignore los conceptos básicos que afectan a todas las fuentes de energía y sus rieles.

Este artículo identificará y hablará sobre estos conceptos básicos esenciales. Luego, presentará una selección de soluciones de energía modulares y mostrará cómo aplicar estos principios básicos para aprovechar al máximo cada uno.

Identificación de las "trampas" del diseño de energía

Primero, algunas buenas noticias. La eficiencia operativa de estos dispositivos es relativamente alta, típicamente entre 80 % y 95 %, dependiendo del modelo específico y el punto de operación. Si bien las corrientes de salida son modestas, los diseñadores aún deben realizar un análisis térmico y de disipación básico para garantizar que los dispositivos se mantengan dentro de su rango de temperatura y no añadan excesivamente a la carga de enfriamiento del sistema.

Existen cinco áreas problemáticas principales: 1) Caída IR, 2) aislamiento, 3) ajuste de la salida, 4) ruido de conmutación, y 5) rutas de retorno de baja impedancia. Como primer paso, incluso antes de elegir un regulador de CC/CC específico, un diseñador debe verificar que la fuente de CC no regulada pueda proporcionar suficiente corriente, teniendo en cuenta que puede haber otras unidades de CC/CC que también dependen de esta fuente. Además, asegúrese de que el rendimiento dinámico de la fuente sea adecuado para manejar mayores demandas de carga transitoria de corriente, especialmente dado que estos reguladores no tienen grandes condensadores de salida masiva.

Caída IR: ¿Demasiada carga?

A menudo, los diseñadores deben enfrentarse a requisitos variados y conflictivos de diseño de la placa de CI para ubicar componentes, puertos de E/S y posibles fuentes de calor. El regulador de potencia puede resultar un dispositivo desafiante en este sentido. Idealmente, se colocaría cerca de la carga para minimizar la caída IR, la captación de ruido y la necesidad de pistas de placa de CI más grandes que desperdician espacio para el flujo de corriente.

Aunque la caída IR es la más fácil de pasar por alto, es la más fácil de calcular. Incluso unos pocos miliohmios de resistencia entre la salida del regulador de DC/DC y sus cargas pueden resultar en una caída de diez o más milivoltios en la corriente que proporcionan estas unidades. Aunque parezca una pequeña cantidad, puede ser importante cuando el riel de CC nominal es de unos pocos voltios.

Por lo tanto, las pistas de la placa de CI deben tener el tamaño adecuado, o tal vez montarse en una placa de CI separada. Se deben considerar las barras de bus delgadas. Las barras de bus pueden parecer una solución arcaica, pero son muy efectivas por dos razones. Primero, reducen drásticamente la caída IR. En segundo lugar, para un costo de BOM adicional menor, se puede usar una barra de bus de doble capa, lo que da como resultado una ruta de retorno a tierra de CC superior.

Hacer esto es tan importante como el riel de CC de lado alto para minimizar la caída IR, establecer una conexión a tierra de resistencia mejor y menor, y minimizar los parásitos y la impedancia de no CC en la estructura de tierra que puede afectar el rendimiento de frecuencia más alta. Por supuesto, independientemente del riel de CC y la conexión a tierra, es importante tener capacitadores de derivación de bajo valor y baja impedancia ubicados lo más cerca posible de los pines o terminales de suministro de tensión IC, así como minimizar los problemas relacionados con el ruido en el riel de suministro.

En algunos casos, la caída IR sigue siendo inaceptable, por lo que una arquitectura de regulador especializado que incluye la detección remota es útil. Aquí, el regulador cuenta con los dos terminales convencionales para el suministro y el retorno de la corriente, pero también tiene dos terminales de detección que se extienden a la carga para medir el voltaje real a esa carga. El regulador usa este valor detectado como retroalimentación para ajustar su voltaje de salida para compensar la caída de voltaje (Figura 1).

Figura 1: La detección remota permite que la fuente de CC mida directamente el voltaje real del riel en la carga y lo compense dinámicamente según sea necesario para cualquier caída IR u otras variaciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Por ejemplo, el μModulo LTM4601 ^® de Linear Technology Corp/Analog Devices puede suministrar corriente sustancial de hasta 12 amperios entre 0.6 y 5.0 voltios a partir de una entrada de CC de 4.5 a 20 voltios. A estas corrientes más altas, la pérdida de IR puede comprometer el rendimiento del sistema y el comportamiento constante. Con la detección remota, el módulo puede corregir las pérdidas de voltaje de la caída IR de la placa de IC entre V_SALIDA y V_CARGA, así como la ruta de retorno a tierra. Como resultado, el LTM4601 garantiza una precisión de voltaje de ±2.0 % o mayor en la carga, a pesar de las variaciones de línea, carga y temperatura.

Tenga en cuenta, sin embargo, que la detección remota no es una panacea. En realidad, coloca un gran ciclo de retroacción entre la fuente y la carga. Si piensa en un regulador de potencia como un tipo de amplificador operacional de potencia, que lo es, entonces este ciclo de retroacción expone la fuente al ruido y EMI/RFI, lo que puede afectar el rendimiento del circuito cerrado. Incluso es posible que la presencia de este ciclo produzca inestabilidad y oscilación del regulador. Por lo tanto, la detección remota debe implementarse con una cuidadosa consideración del diseño.

Otro enfoque para minimizar el efecto del IR es usar reguladores múltiples más pequeños colocados cerca de sus respectivas cargas en lugar de una unidad más grande colocada en una única ubicación centralizada. Esto trae una compensación clásica de "costos" tangibles al usar dos o más unidades más pequeñas y menos costosas versus una más grande y más costosa. Si bien la diferencia de costos de BOM es cuantificable, el impacto técnico de elegir un dispositivo más grande frente a otros más pequeños es más difícil de evaluar y requiere análisis, así como juicio y experiencia.

Por ejemplo, el módulo de potencia LMZM33602 de Texas Instruments combina un convertidorreductor con MOSFET de potencia, inductor blindado y pasivos, todo en un paquete relativamente pequeño y de bajo perfil que puede entregar entre 1 y 18 voltios a hasta 2 amperios (Figura 1). Requiere solo cuatro o cinco componentes pasivos externos no críticos y elimina la compensación del ciclo y los aspectos magnéticos del diseño del regulador.

Figura 2: El uso de múltiples reguladores de corriente más pequeños e inferiores, como el LMZM33602 de Texas Instruments, puede aumentar la lista de materiales, pero también puede simplificar el diseño y mejorar el rendimiento con respecto a la caída IR y el ruido. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Con un tamaño de tan solo 9 mm × 7 mm × 4 mm en un paquete QFN, el LMZM33602 se puede colocar fácilmente cerca del componente de carga o subcircuito. Al hacer esto, se minimiza la caída IR de dos maneras.

En primer lugar, está cerca de la carga, lo que reduce la resistencia del riel y la captación de ruido. En segundo lugar, la corriente de salida es solo de unos pocos amperios, lo que también reduce la caída IR. Como resultado, la implementación de algunas de estas unidades puede ofrecer más flexibilidad de diseño, reducción de la caída IR, menor captación de ruido, más disipación térmica distribuida y otros beneficios de nivel de sistema en comparación con el uso de una única unidad de 10 amperios.

Aislamiento: a veces opcional, a menudo obligatorio

La necesidad de aislamiento galvánico (la ausencia de un camino óhmico entre dos partes de un circuito) puede variar de un poco beneficioso a obligatorio. Puede ser útil eliminar los ciclos de conexión a tierra del sistema, ya que puede ser necesario para la interfaz con un transductor “flotante” (sin conexión a tierra) o para garantizar la seguridad entre los circuitos de mayor voltaje y el usuario de instrumentación médica. Muchos diseñadores desconocen la necesidad o utilidad de tal aislamiento.

Independientemente de la lógica, la realidad que a menudo se pasa por alto es que un subcircuito aislado también requiere potencia aislada, generalmente a niveles relativamente bajos. En el pasado, esta necesidad de potencia aislada, incluso a bajas corrientes, requería un importante espacio, y los costos de BOM eran a menudo desproporcionadamente altos en comparación con otras funciones. Seguir la ruta de "construir" en lugar de "comprar" a menudo no era una opción viable, ya que un diseño aislado no es insignificante en términos de diseño o ensamblaje. Además, para muchas aplicaciones, el diseño aislado y la implementación física tendrían que ser probados y certificados para cumplir con las normas de la industria y las normativas, lo que implica un proceso costoso y complejo.

Sin embargo, el problema se puede superar en gran medida gracias a la disponibilidad de módulos de CC/CC aislados pequeños, pero totalmente compatibles y aprobados, como el LTM8047 de Analog Devices (Figura 3). Usando una topología de material lanzado aislada, proporciona aislamiento de 725 V de _CC.

Figura 3: Los avances en los componentes, la topología y el empaquetado permiten que el módulo regulador LTM8047 de Analog Devices proporcione aislamiento galvánico, cumpliendo con todos los estándares regulatorios relevantes para su clasificación de voltaje nominal; sin embargo, el usuario lo percibe como un dispositivo no aislado convencional. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Dentro de su pequeño paquete BGA, que mide 11.25 mm × 9 mm × 4.92 mm, están el controlador de conmutación, los interruptores de alimentación y todos los componentes de soporte, más el elemento central de un transformador de aislamiento (Figura 4). Puede proporcionar salidas de 2.5 a 12 voltios desde un amplio rango de voltaje de entrada de 3.1 a 32 voltios (siempre en modo de marco). Aunque la cantidad de corriente que puede suministrar es modesta: 440 miliamperios (mA) a 2.5 voltios de CC, esto es más que adecuado para alimentar muchos subcircuitos aislados y de front end del transductor.

Figura 4: Debido a las leyes de la física y los mandatos regulatorios asociados, proporcionar aislamiento requiere un espacio para la separación física entre entrada y salida; el tamaño del LTM8047 de Analog Devices admite aislamiento a 750 voltios, que es suficiente para muchas situaciones de aplicación. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Ajustabilidad: útil, pero tenga cuidado.

Rara vez estos reguladores de CC/CC fácilmente disponibles proporcionan una tensión preestablecida fija. En cambio, el usuario puede configurar el voltaje mediante un par de resistencias en una configuración de divisor de voltaje. Hacer eso ofrece varias ventajas: el mismo regulador se puede usar en muchas ubicaciones, lo que simplifica el BOM; la tensión de salida puede ajustarse "hacia arriba" unos pocos mV para compensar la caída IR (no es una práctica recomendada en muchos casos, pero a menudo se hace); y la tensión de salida puede ajustarse hacia arriba para los ajustes deseados en circuitos analógicos, especialmente RF, donde hay un rendimiento específico frente a la disyuntiva de disipación (un voltaje más alto proporciona una mejor SNR y un ancho de banda más amplio, pero a costa de una mayor disipación).

Sin embargo, los usuarios deben reconocer que el coeficiente de estabilidad y temperatura (tempco) de las resistencias de ajuste de tensión, junto con el entorno de funcionamiento térmico, deben tenerse en cuenta en cualquier cálculo de la tensión de salida de CC nominal del regulador. Es posible que a temperaturas más altas, el riel de CC se salga de la especificación para la carga. Como resultado, puede ser prudente o necesario seleccionar resistencias de ajuste de voltaje con tempco bajo para esta función, en lugar de dispositivos de propósito general que pueden ser dispositivos pull-up adecuados para otras funciones no críticas.

Otra configuración ofrecida por algunos reguladores de CC/CC es la selección de la frecuencia de conmutación (todos estos reguladores usan topología de conmutación, ninguno de ellos son reguladores de caída baja (LDO) por razones de eficiencia y tamaño). Por ejemplo, el MAX17536 de Maxim Integrated se puede configurar a través de una sola resistencia para operar en cualquier lugar en el amplio rango de 100 kilohercios (KHz) a 2.2 megahercios (MHz) (Figura 5). Esto permite configurarlo para evitar el impacto de su ruido de conmutación en un circuito cercano que tenga frecuencias superpuestas, como la banda de radio AM de 550 a 1600 kHz, o para evitar una banda estrecha específica que contenga una señal de interés.

Figura 5: Una sola resistencia establece la frecuencia de conmutación del regulador MAX17536 de Maxim dentro de una banda ancha de 100 kHz a 2.2 MHz, lo que proporciona flexibilidad para minimizar la interferencia de circuitos o señales. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Tenga en cuenta que la relación entre la resistencia y la frecuencia de conmutación no es lineal y es algo imprecisa. Por esta y otras razones, el MAX17536 se puede configurar para que se sincronice con una fuente externa en lugar de operar a la frecuencia establecida por su resistencia. Al hacerlo, también se evita la mezcla de frecuencias no deseadas con otras fuentes de reloj en el sistema y las frecuencias de batimiento resultantes que pueden causar problemas sutiles y difíciles de diagnosticar.

Conclusión

Estos diminutos y completos convertidores de CC/CC eliminan gran parte del riesgo y las preocupaciones que se producen cuando se diseñan fuentes de corriente moderada de bajo voltaje que ofrecen entre 1 (o menos) y 10 amperios. Sin embargo, como con cualquier componente, existen algunas reglas básicas que se deben reconocer y generalmente seguir para una instalación exitosa, y para aprovechar todo su potencial y evitar cualquier "trampa".