Cómo minimizar la parasitosis en las fuentes de alimentación conmutadas

Las fuentes de alimentación de modo de conmutación son populares por su eficiencia y flexibilidad. También plantean retos a medida que amplían su alcance a nuevas aplicaciones. Sobre todo, sus interruptores de alta frecuencia pueden inducir interferencias electromagnéticas (EMI) en el resto del sistema. Además, los mismos factores que pueden provocar EMI también reducen la eficiencia, lo que socava una de las principales ventajas de las fuentes de alimentación conmutadas.

Para evitar estos problemas, los diseñadores deben tener especial cuidado al configurar el "bucle caliente", la parte del circuito de la fuente de alimentación donde se produce la conmutación rápida. Es esencial minimizar las pérdidas parásitas del bucle caliente debidas a la resistencia equivalente en serie (ESR) y a la inductancia equivalente en serie (ESL). Esto puede lograrse eligiendo componentes de fuente de alimentación altamente integrados y una cuidadosa disposición de la placa de CI.

Este artículo presenta los bucles calientes y las fuentes de pérdidas parásitas, incluidos los condensadores de acoplamiento, los transistores de efecto de campo (FET) de potencia y las vías de la placa de CI. A continuación, muestra un ejemplo de convertidor de potencia altamente integrado de Analog Devices y presenta varias disposiciones de placas de PC y sus efectos en los parámetros parásitos. Concluye con consejos prácticos para reducir la ESR y la ESL.

Fundamentos de los bucles calientes de fuentes de alimentación conmutadas

Cualquier diseño de fuente de alimentación que implique corrientes de conmutación rápida, como los convertidores elevadores, elevadores-reductores y flyback, tendrá bucles calientes con corrientes que conmutan a altas frecuencias. Este concepto se ilustra mediante un convertidor reductor simplificado (figura 1). El bucle de la izquierda (rojo) contiene todos los elementos de conmutación; las corrientes de alta frecuencia generadas por el circuito están contenidas dentro, formando el bucle caliente.

Figura 1: Un convertidor reductor simplificado ilustra el principio de un bucle caliente, resaltado en rojo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El aspecto "caliente" proviene de las importantes actividades de conversión de energía y conmutación que tienen lugar en esta zona del circuito, a menudo acompañadas de generación de calor. La disposición y el diseño adecuados de estos bucles calientes son fundamentales para minimizar la EMI (interferencia electromagnética) y garantizar un funcionamiento eficaz de la fuente de alimentación.

El circuito más realista de la Figura 2 muestra un convertidor reductor sincrónico de CC/CC. Para este bucle caliente, los componentes físicos (etiquetados en negro) son el capacitor de entrada (C_IN) y los transistores de efecto de campo (FET) de óxido de meta (MOSFET), M1 y M2.

Figura 2: Los bucles calientes del mundo real incluyen inevitablemente parámetros parásitos, mostrados en rojo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los parámetros parásitos del bucle caliente están marcados en rojo. La ESL suele estar en el rango de los nanohenrios (nH), mientras que la ESR está en el rango de los miliohmios (mΩ). La conmutación de alta frecuencia causa zumbidos en los ESL, lo que provoca EMI (interferencia electromagnética). La energía almacenada en los ESL es disipada por los ESR, lo que provoca una pérdida de potencia.

Minimización de los parámetros parásitos con componentes integrados

Estas impedancias parásitas (ESR, ESL) se producen dentro de los componentes y a lo largo de las trazas de la placa de CI de bucle caliente. Para minimizar estos parámetros, los diseñadores deben elegir cuidadosamente los componentes y optimizar la disposición de la placa de CI.

Una forma de lograr ambos objetivos es utilizar componentes integrados. Eliminan las trazas de la placa de CI necesarias para conectar componentes discretos y reducen el área total del bucle caliente. Ambos contribuyen a reducir la impedancia parásita.

Un excelente ejemplo de componente altamente integrado es el regulador µModule reductor LTM4638 de Analog Devices. Como se ilustra en la Figura 3, este regulador de conmutación de 15 amperios (A) integra el controlador de conmutación, los FET de potencia, el inductor y los componentes de apoyo, todo ello en un minúsculo envase de 6.25 × 6.25 × 5.02 milímetros (mm).

Figura 3: El regulador µModule LTM4638 integra muchos de los componentes necesarios para un convertidor reductor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El LTM4638 incorpora otras características que reducen las pérdidas parásitas. Entre ellos se incluyen:

• Rápida respuesta de transiente: Esto permite al regulador ajustar rápidamente la tensión de salida en respuesta a cambios en la carga o en la entrada, minimizando la duración y el impacto de las pérdidas parásitas al pasar rápidamente por estados de funcionamiento subóptimos.
• Funcionamiento en modo discontinuo: Permite que la corriente del inductor descienda a cero antes de que se inicie el siguiente ciclo de conmutación. Este modo, utilizado normalmente en condiciones de carga ligera, reduce las pérdidas de conmutación y de núcleo en el inductor al desenergizarlo durante parte del ciclo.
• Seguimiento del voltaje de salida: Permite que la salida del convertidor siga un voltaje de entrada de referencia. Al controlar con precisión la rampa de subida y bajada de la tensión de salida, esta función reduce la probabilidad de que se produzcan sobrecrestas o subcrestas que pueden agravar las pérdidas parasitarias.

Minimización de los parámetros parásitos mediante la colocación de componentes

Para construir un convertidor reductor síncrono con el LTM4638 es necesario añadir condensadores de entrada y salida, C_IN y C_OUT, respectivamente. La colocación de estos capacitores puede tener un impacto significativo en los parámetros parasitarios.

Los experimentos de Analog Devices con la placa de evaluación DC2665A-B para el LTM4638 ilustran el impacto del posicionamiento C_IN.La DC2665B-B ha sustituido a esta placa, pero se aplican los mismos principios. Las figuras 4 a 6 ilustran tres disposiciones diferentes para C_IN y los bucles calientes correspondientes. Los bucles calientes verticales 1 (Figura 4) y 2 (Figura 5) colocan C_IN en la capa inferior, directamente debajo del regulador o a un lado, respectivamente. El bucle caliente horizontal (Figura 6) coloca el capacitor en la capa superior.

Figura 4: Vista inferior y lateral del bucle caliente vertical 1. C_IN está directamente debajo del regulador, conectado a través de vías. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 5: Vista inferior y lateral del bucle caliente vertical 2. C_IN está debajo, pero al lado del regulador, lo que requiere trazas y vías en la placa de CI. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Figura 6: Vistas superior y lateral del bucle caliente horizontal. C_IN está en la capa superior, conectándose al regulador a través de trazas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El bucle caliente vertical 1 tiene el camino más corto y evita el uso de trazas de placa de PC. Por lo tanto, se espera que tenga los parámetros parásitos más bajos. El análisis de cada bucle caliente con FastHenry a 600 kHz y 200 megahercios (MHz) revela que así es la carcasa (Figura 7).

Figura 7: Como era de esperar, el trayecto más corto presentaba la impedancia parásita más baja. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificado por el autor)

Aunque estos parámetros parásitos no pueden medirse directamente, sus efectos pueden predecirse y probarse. En concreto, una resistencia equivalente en serie (ESR) más baja debería traducirse en una mayor eficiencia, mientras que un ESL más bajo debería dar lugar a una menor ondulación. La verificación experimental confirmó estas predicciones, y el bucle caliente vertical 1 demostró un mejor rendimiento en ambas métricas (Figura 8).

Figura 8: Los resultados experimentales confirman que el bucle caliente vertical 1 consigue mejor eficiencia y ondulación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Minimización de los parámetros parásitos de los componentes discretos

Aunque los dispositivos integrados ofrecen muchas ventajas, algunas fuentes de alimentación conmutadas requieren componentes discretos. Por ejemplo, una aplicación de alta potencia puede superar la capacidad de los dispositivos integrados. En estos casos, la ubicación y el tamaño del encapsulado de los FET de potencia discretos pueden influir significativamente en las ESR y ESL de bucle caliente. Estos impactos pueden apreciarse probando dos placas de evaluación, ambas con controladores buck-boost síncronos de 4 conmutadores de alta eficiencia, como se ilustra en la figura 9:

• La placa de evaluación DC2825A se basa en el regulador elevador-reductor LT8390. Sus MOSFET se colocan en paralelo, es decir, en la misma orientación.
• La placa de evaluación DC2626A se basa en el regulador elevador-reductor LT8392. Tiene dos pares de MOSFET colocados en ángulos de 90˚.

Figura 9: El DC2825A (izquierda) coloca sus MOSFET en paralelo, mientras que el DC2626A (derecha) los coloca en ángulos de 90˚. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Las dos placas se probaron utilizando MOSFET y capacitores idénticos en un funcionamiento reductor de 36 a 12 voltios a 10 A y 300 kilohertzios (kHz). Los resultados mostraron que la colocación de 90˚ tenía una ondulación de voltaje más baja y una frecuencia de resonancia más alta, lo que indicaba un ESL de placa de CI más pequeño debido a una trayectoria de bucle caliente más corta (Figura 10).

Figura 10: El DC2626A, con su disposición de MOSFET de 90˚, presenta menor ondulación y mayor frecuencia de resonancia. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Otras consideraciones sobre la disposición

Las principales colocaciones FormLas en el bucle caliente también impactan en la resistencia equivalente en serie (ESR) y la ESL del bucle. En general, añadir más vías reduce la impedancia parásita de la placa de CI. Sin embargo, la reducción no es linealmente proporcional al número de vías. Las vías más cercanas a las zapatas terminales reducen significativamente la ESR y la ESL. Por lo tanto, deben colocarse múltiples vías cerca de los pads de los componentes críticos (C_IN y el µModule o los MOSFET) para minimizar la impedancia de bucle caliente.

Hay muchas otras formas de impactar positivamente en el rendimiento eléctrico y térmico. Para optimizar el bucle caliente, las mejores prácticas incluyen:

• Utilice grandes áreas de cobre en la placa de PC para las vías de alta corriente, incluyendo V_IN, V_OUT y tierra para minimizar la pérdida de conducción de la placa de CI y el estrés térmico.
• Coloque una capa de tierra de alimentación dedicada debajo de la unidad.
• Utilice múltiples vías para la interconexión entre la capa superior y otras capas de potencia para minimizar la pérdida de conducción y reducir el estrés térmico del módulo.
• No coloque vías directamente sobre el pad a menos que estén tapadas o chapadas.
• Utilice una zona de cobre de tierra de señal separada para los componentes conectados a las clavijas de señal, uniendo la tierra de señal a la clavija de tierra principal situada debajo de la unidad.
• Coloque puntos de TEST en los pines/clavijas de señal para su monitorización.
• Mantenga la separación entre la señal de reloj y las trazas de entrada de frecuencia para minimizar la posibilidad de ruido debido a diafonía.

Conclusión:

Los parámetros parásitos del bucle caliente influyen mucho en el rendimiento de una fuente de alimentación conmutada. Minimizar estos parámetros es crucial para lograr una alta eficiencia y una baja EMI (interferencia electromagnética).

Una de las formas más sencillas de alcanzar estos objetivos es utilizar módulos reguladores integrados. Sin embargo, las fuentes de alimentación conmutadas suelen requerir el uso de componentes a granel, como condensadores, por lo que es esencial comprender las implicaciones de las disposiciones en bucle caliente.