Generar un alto voltaje de salida de CC desde una fuente de alimentación de entrada baja

Al estar impulsada por aplicaciones portátiles y para vestir, la tendencia en muchos diseños es avanzar con firmeza hacia los voltajes de suministro de 3,6 voltios o menos. Sin embargo, muchos dispositivos portátiles tienen funciones específicas que necesitan mayores voltajes, lo cual requiere que los diseñadores puedan convertir los niveles requeridos de forma tan eficiente como sea posible a través de la óptima aplicación de convertidores elevadores de CC-CC.

Este artículo examina los efectos de los reguladores elevadores de CC-CC y describe su topología. Luego presentará ejemplo de dispositivos y examinará las técnicas de diseño y compromisos necesarios para desarrollar el diseño óptimo para una aplicación portátil o de uso personal.

La función de los convertidores elevadores de CC-CC

Un dispositivo portátil típico u otro dispositivo de uso personal utiliza una batería celda de iones de litio con un rendimiento nominal de 3,6 voltios CC. La mayoría de las aplicaciones a pilas se basan en una o varias celdas de iones de litio conectadas en serie como su principal suministro de tensión. Si bien esto es suficiente para muchas aplicaciones, las computadoras portátiles, tabletas y otros dispositivos móviles tienen funciones específicas que requieren voltajes más elevados.

Los ejemplos incluyen controladores para retroiluminación de LED (diodo emisor de luz) de luz blanca, transceptores de RF, circuitos analógicos de precisión, y circuitos de polarización para los fotodiodos de avalancha (APD) que se encuentran en receptores ópticos. Un regulador de CC-CC elevador o de paso superior cumple estas exigencias de aplicación mediante la transformación de un bajo voltaje de entrada a una tensión de salida superior.

Topología típica de un convertidor elevador

Los componentes clave de un regulador elevador son un inductor; un interruptor semiconductor, más comúnmente un MOSFET de potencia; un diodo rectificador; un bloque de control de circuito integrado (CI), y capacitores de entrada y salida (Figura 1).

Figura 1: La configuración básica de regulador elevador, que muestra la dirección del flujo de corriente cuando el interruptor está abierto y cerrado (fuente de la imagen: DigiKey, basado en material de origen de Texas Instruments)

Con V_IN aplicada y el interruptor de potencia cerrado, la corriente fluye a través del inductor junto a la pista azul hacia tierra. El inductor almacena energía en su campo magnético. El diodo está está polarizado en reversa y la tensión a través del capacitor de salida cae a medida que su energía almacenada alimenta la carga.

Por el contrario, cuando el interruptor está abierto, la corriente fluye a lo largo de la pista roja a medida que el campo magnético se colapsa y genera un voltaje positivo para transferir la energía del inductor a través diodo polarizado directo para cargar el capacitor de salida y alimentar la carga.

Al variar el ciclo de trabajo del interruptor de potencia, el bloque de control mantiene una tensión de salida constante en respuesta a las variaciones de voltaje de entrada y los cambios en la carga. Un divisor resistivo en la salida puede proporcionar el control de bloque con tensión de retroalimentación para ajustar el ciclo de servicio y mantener el valor de la tensión de salida deseada.

Además de estas funciones básicas, los diseños integrados también incluyen una selección de características de protección para resguardar contra el exceso de temperatura, una salida de corto circuito, una condición de carga abierta, una entrada sobrecorriente, y mucho más.

Un refinamiento común al circuito básico sustituye un segundo MOSFET para el diodo. El segundo MOSFET funciona como un rectificador sincrónico, que se enciende cuando el interruptor de potencia se apaga. Su caída de tensión inferior reduce la disipación de energía, aumentando la eficiencia del regulador.

El diseño sincrónico es una ventaja en un dispositivo alimentado por batería, en el cual una mayor eficiencia se equipara a la duración de la batería. Además, los dispositivos portátiles y para vestir generalmente tienen espacio limitado, por ello los convertidores elevadores para estas aplicaciones a menudo tienen un alto nivel de integración. Al incluir componentes de potencia en el paquete se restringe la corriente que puede ser entregada, pero esto es aceptable en un diseño con pilas. Muchas de estas aplicaciones pasan períodos prolongados en modo apagado, haciendo que el consumo ultrabajo de corriente en reposo sea un elemento crítico.

La serie TPS610993YFFT de Texas Instruments es un ejemplo de un regulador elevador de baja potencia (Figura 2). Es un dispositivo sincrónico que consume sólo un microamperio (µA) de corriente estática, pero puede proporcionar hasta 800 miliamperios (mA) y genera una tensión de salida de 3,0 voltios, con un voltaje de entrada tan bajo como 0,7 voltios. El dispositivo está diseñado para maximizar la eficiencia operativa bajo cargas ligeras. Puede funcionar con una batería alcalina o recargable como NiMH o Li-ion.

Figura 2: La familia TPS61099x puede proporcionar hasta 5,5 voltios desde una tensión de entrada de 0,7 voltios. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La serie TPS610993 integra el interruptor de alimentación y el rectificador sincrónico en un paquete a escala de chip de oblea de 6 bolas (WCSP) que sólo mide 1,23 mm x 0,88 mm. Su reducido tamaño lo hace apto para monitores ópticos de ritmo cardíaco, accionadores de polarización de pantalla de cristal líquido (LCD) de memoria, y otras aplicaciones con espacio limitado. El dispositivo es un miembro de la familia de productos TPS61099x, con voltajes de salida que van desde 1,8 voltios a 5,5 voltios.

Para producir una mayor tensión para los circuitos flash de la cámara de un teléfono inteligente o las luces LED alimentadas por batería, Microchip Technology ofrece la serie MCP1665 que adopta un enfoque diferente: integra un interruptor de potencia NMOS de 36 voltios y 100 mΩ, pero utiliza un diodo externo en una topología no sincronizada.

Figura 3: La serie MCP1665 de Microchip puede producir hasta 32 voltios desde una batería de Li-ion, de NiCd o NiMH. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Este dispositivo puede entregar hasta 1000 miliamperios desde una fuente de 5 voltios e incluye características tales como tensión de arranque controlada, una variedad de modos de funcionamiento, y una frecuencia de conmutación de 500 kilohertz (kHz); la arquitectura de modo de corriente de pico logra una alta eficiencia en un amplio rango de carga.

En algunas aplicaciones de refuerzo, mantener la tensión de salida a un valor establecido no es el objetivo principal de diseño. En un controlador de retroiluminación de LED, el brillo deseado del LED es una función de la corriente a través de la tira de LED, entonces la corriente que fluye a través de una resistencia de derivación forma el voltaje de realimentación hacia el controlador y determina la tensión de elevación. El AP3019AKTR-G1 de Diodes Incorporated es un ejemplo de un convertidor elevador optimizado para accionar una cadena de hasta ocho ledes para aplicaciones de retroiluminación (Figura 4).

Figura 4: A una frecuencia de conmutación típica de 1,2 MHz, el controlador AP3019A incluye funciones especializadas para controlar el brillo de una tira de retroiluminación de LED. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Optimizado para aplicaciones con limitaciones de espacio, el dispositivo incluye tanto el interruptor de alimentación como el diodo interno, y una frecuencia de conmutación de 1,2 MHz que permite el uso de pequeños componentes externos. El AP3019A puede suministrar hasta 550 mA en un paquete SOT-23-6.

El pin CTRL es una entrada de cierre y atenuación especializada: conectar el pin a 1,8 voltios o superior activa el dispositivo; 0,5 voltios o menos desactiva el dispositivo; y se aplica una señal modulada de ancho de pulso (PWM) que permite la implementación de control de brillo de LED.

Siga estos consejos de diseño para optimizar la eficiencia

En algunos de los dispositivos que ya se han discutido, el fabricante ya ha fijado algunos de los parámetros internamente, pero un diseñador tiene normalmente varias compensaciones disponibles para optimizar la eficiencia de la conversión. Además, se debe tener cuidado de seleccionar el tipo correcto de componentes externos de acuerdo con las directrices a seguir.

Frecuencia de conmutación: Aunque la frecuencia de conmutación no afectará la tensión de salida directamente, no tiene un efecto significativo sobre el diseño de la fuente de alimentación. En general, una mayor frecuencia de conmutación permite al diseñador utilizar un inductor más pequeño y capacitores más pequeños para una aplicación dada. El tamaño del inductor está determinado principalmente por la cantidad de corriente de ondulación admisible. Dada una inductancia, la corriente de ondulación disminuye a medida que aumenta la frecuencia de conmutación: dada una selección de varios dispositivos, un diseñador puede compensar el aumento de la frecuencia de conmutación para un inductor menor manteniendo la misma cantidad de corriente residual.

Una mayor frecuencia de funcionamiento le ofrece al regulador de conmutación un mayor ancho de banda, acortando el tiempo de respuesta de transitorios. El inductor más pequeño también reduce el tamaño y el costo de la fuente de alimentación.

Selección del inductor: El inductor es un componente clave del regulador elevador: almacena energía durante el tiempo de encendido del interruptor de alimentación y transfiere energía a la salida a través del diodo rectificador de salida durante el tiempo de apagado.

El diseñador debe hacer un compromiso entre una baja ondulación de corriente de inductor y una alta eficiencia. Un inductor de valor inferior tiene una mayor corriente de saturación y una menor resistencia en serie para un determinado tamaño físico, pero la menor inductancia se traduce en mayores corrientes pico lo que puede llevar a una reducción de la eficiencia, mayor ondulación y un aumento del ruido.

Al elegir un inductor adecuado, la corriente de saturación nominal del inductor debe ser mayor que la corriente pico del inductor, y la corriente RMS nominal del inductor debe ser mayor que la corriente máxima de entrada de CC hacia el regulador.

La mayoría de las hojas de datos del regulador elevador incluyen recomendaciones de inductor para diferentes voltajes y corrientes de carga: la hoja de datos de MCP1665 de Microchip, que se mostró anteriormente, recomienda el producto de Panasonic Elecronic Components serie ELL-8TP4R7NB 4.7 microhenry (µH) que es un inductor para voltajes de salida por debajo de 15 voltios, pero recomienda el inductor de 10 µH de Wurth Electronics serie 7447714100 para mayores voltajes de salida.

Selección de diodos

En un diseño no sincronizado, se debería utilizar un diodo Schottky, con su menor tensión directa, para reducir las pérdidas. El promedio de corriente directa nominal del diodo debe ser igual o mayor que la corriente de salida máxima. El valor nominal de corriente directa repetitiva pico del diodo debe ser igual o mayor que la corriente pico del inductor, y la tensión de ruptura inversa del diodo debe ser mayor que la tensión nominal del interruptor de alimentación interna.

El MCP1665, por ejemplo, dispone de un interruptor interno de 36 voltios y puede proporcionar hasta 1 amperio. Microchip recomienda, por lo tanto, el diodo Schottky serie STPS2L40VU de STMicroelectronics, que es un dispositivo con 40 voltios de tensión de ruptura inversa y una corriente de 2 amperios.

A altas temperaturas, la corriente de fuga del diodo también puede tener un efecto significativo sobre la eficacia del funcionamiento del convertidor. Para altas corrientes y altas temperaturas ambiente, utilizar un diodo con buenas características térmicas.

Capacitores de entrada y salida: En la topología de elevación, el inductor actúa para suavizar las exigencias transitorias en el circuito de alimentación al alimentar el circuito regulador, reduciendo el filtrado de entrada requerida. Un capacitor de cerámica con una calificación X5R es a menudo suficiente para una temperatura de +85°C, pero se pueden requerir capacitores X7R de baja ESR para el funcionamiento de +125°C.

Si la impedancia de la fuente de alimentación es demasiado alta para mantener la tensión de entrada por encima del umbral de bloqueo de subtensión con pasos de carga alta adicionales, puede ser necesario incorporar un capacitor de tántalo o electrolítico.

En el lado de carga, el capacitor de salida reduce la ondulación de carga y ayuda a proporcionar una tensión de salida estable durante los transitorios de carga. Se recomienda un capacitor cerámico X7R para el capacitor de salida: otros tipos pueden tener una alta ESR lo cual reduce la eficiencia del convertidor.

La calificación CC del capacitor debe ubicarse cómodamente por encima de la tensión máxima de salida V_OUT ya que los capacitores cerámicos pierden su efectividad cuando operan cerca a su tensión máxima. Consulte la hoja de datos para obtener recomendaciones sobre la selección de capacitores.

Consideraciones sobre el diseño del regulador elevador: Debido a sus características de conmutación de alta velocidad, el rendimiento del regulador elevador es muy sensible al diseño de la placa de CI: la inductancia y capacitancia parasitaria pueden causar una alta fluctuación de salida, mala regulación de salida, exceso de interferencias electromagnéticas (EMI), e incluso provocar una falla debido a un pico de tensión alta.

El diseñador debe, por lo tanto, prestar atención al diseño de la placa de CI siguiendo estos consejos:

1. Los capacitores de salida deben estar situados cerca del dispositivo, y ser conectados con trazos cortos y anchos para minimizar la inductancia parasitaria que puede causar picos de tensión y zumbidos. Las múltiples vías ayudan a reducir la capacitancia parásita.
2. Después de colocar el capacitor de salida, localice el inductor cerca del CI para reducir la EMI radiada. Ya que el nodo SW (véanse las Figuras 2, 3, 4) es eléctricamente ruidoso, pase la señal de retroalimentación (FB) y otros trazos sensibles bien lejos de este nodo.
3. El nodo de tierra de los capacitores de entrada también debe estar cerca del pin tierra de alimentación del CI para minimizar el área de bucle.
4. Para un mejor rendimiento térmico, el diseño debería incluir vías térmicas desde la almohadilla térmica del dispositivo(si se aplica) hasta el plano de tierra; de esta forma se mejora la disipación de calor y se reduce el riesgo de desconexión térmica.
5. La potencia a tierra, la señal a tierra y la almohadilla térmica deben estar conectadas todas en un único punto de puesta a tierra de baja impedancia.

Herramientas de diseño en línea para acelerar el proceso de diseño

Un diseño de fuente de alimentación eficaz requiere conocimientos en varias áreas, incluyendo la evaluación y la selección de componentes, elementos magnéticos, el diseño de circuito de compensación, la optimización, el análisis térmico, diagramas y mucho más.

Reconociendo esta complejidad, varios proveedores de semiconductores de potencia proporcionan útiles herramientas de diseño en línea que guían a los ingenieros a través de los pasos necesarios para el éxito de un diseño.

Texas Instruments ofrece varias herramientas. Power Stage Designer™, por ejemplo, ayuda en el diseño de la mayoría de fuentes de alimentación de conmutación que se utilizan comúnmente. Para los convertidores elevadores, hay una opción de topologías SEPIC, elevador, y reductor-elevador. Después de elegir una topología propuesta, el programa ayuda al diseñador a comparar el rendimiento de los diferentes FET de potencia, elegir un capacitor a granel, determinar la red de compensación, y además realizar otras funciones de diseño.

ADI ofrece el conjunto de herramientas de diseño ADIsimPower™, que ayuda a un diseñador a generar un esquema completo y lista de materiales (BOM), así como calcular el rendimiento del circuito. ADIsimPower puede optimizar los diseños según el costo, área, eficiencia, o el recuento de piezas, teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento y las limitaciones del CI y los componentes externos.

Conclusión

Al permitir el uso de las funciones del circuito de alto voltaje, el regulador elevador desempeña un valioso papel en los diseños de dispositivos de uso personal y dispositivos portátiles alimentados por batería. Sin embargo, los diseñadores deben elegir un dispositivo que responda al impulso de la aplicación y prestar atención a una serie de compromisos fundamentales de diseño y mejores prácticas.