Aumente la eficiencia con el regulador de voltaje de conmutación adecuado

La eficiencia es primordial al elegir el regulador de voltaje de conmutación adecuado. Los dispositivos miniaturizados de hoy requieren la capacidad de suministrar energía fiable en un formato pequeño.

Un requisito fundamental del diseño electrónico es la capacidad de generar tensiones estables capaces de suministrar cantidades sustanciales de corriente. Los reguladores de conmutación son un componente esencial para generar voltajes de alimentación estables y para subir o bajar las tensiones.

Los reguladores de voltaje conmutados pueden recibir muchos nombres: conmutador o interruptor, fuente de alimentación conmutada (SMPS) y reguladores o convertidores CC/CC. Su popularidad sigue creciendo debido a las ventajas que ofrecen para requisitos de conversión de alta potencia más eficientes, la flexibilidad de una salida estable a partir de una única fuente de voltaje de entrada y la capacidad de acomodar múltiples tensiones de salida de diferentes polaridades.

Los tipos de convertidores de conmutación más comunes son:

• Boost (elevador), la tensión de entrada se eleva y se acondiciona para la salida
• Reductor (buck), la tensión de entrada se reduce y se acondiciona para la salida
• Reductor-elevador (buck-boost), la tensión de entrada se incrementa o disminuye con opción de polaridad negativa
• Flyback, un tipo de reductor-elevador que también proporciona aislamiento galvánico

Reguladores de tensión lineales fijos y ajustables

Durante muchos años, los diseños de fuentes de alimentación se basaban en reguladores de voltaje lineales, que han demostrado ser excelentes a la hora de suministrar una salida de tensión fija continua. Hay otros reguladores de voltajes lineales, como el LM317, que son ajustables.

Los reguladores de voltaje de salida lineal y fija más conocidos son los de las series 78xx de salida positiva y 79xx de salida negativa. Estos reguladores de voltaje producen una salida estable de 5 V a 24 V.

Los reguladores de voltaje lineales no son fuentes de alimentación conmutadas. Los reguladores de voltaje tienen la ventaja de su sencillez y bajo costo. Suelen tener una potencia inferior a 10 W, tienden a ser menos eficientes, por lo que generan calor, y tienen características de bajo ruido y ondulación. Los reguladores lineales solo tienen regulación de voltaje reductora, mientras que un SMPS puede proporcionar elevación, reducción y negación de la tensión de entrada utilizando componentes reductor, reductor-elevador y elevador.

Fuentes de alimentación de modo conmutado

La mayoría de los televisores modernos, computadoras personales, accionamientos de motores de CC y amplificadores de potencia requieren un SMPS avanzado y eficiente, que utilice técnicas de conmutación de semiconductores en lugar de métodos lineales estándar para proporcionar tensión de salida. El convertidor de conmutación básico consta de una etapa de conmutación de potencia y un circuito de control.

Al tener una menor disipación de potencia, el SMPS puede aprovechar una mayor eficiencia al conmutar internamente un transistor (o MOSFET de potencia) entre los estados saturado "ON" y de corte "OFF".

Regulador de conmutación reductor

La serie BD9x de ROHM Semiconductor ofrece a los diseñadores de convertidores reductores CC/CC de alta eficiencia, una opción compacta para aplicaciones que requieren una conversión de potencia eficiente, incluidos los diseños industriales y de automoción. La serie BD9x presenta un diseño simplificado con un número reducido de componentes que ahorra espacio y agiliza el proceso de fabricación. Su baja corriente de espera permite prolongar la duración de la batería en aplicaciones portátiles, manteniendo al mismo tiempo una tensión de salida estable para un rendimiento fiable, como el regulador de conmutación reductor BD9A201FP4-LBZTL (Figura 1).

Figura 1: El regulador de conmutación reductor BD9A201FP4-LBZTL proporciona un voltaje de salida estable. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

El regulador de conmutación reductor BD9E105FP4-ZTL (Figura 2), que presenta una única salida ajustable, es un regulador de corriente continua diseñado específicamente para necesidades de baja tensión. El regulador BD9E105FP4-ZTL, con MOSFET de potencia de baja resistencia a la conexión y un único convertidor CC/CC sincrónico tipo reductor, ofrece la máxima eficiencia en condiciones de carga ligera. Es ideal para dispositivos y equipos que exigen un consumo mínimo de energía en modo de espera.

Con una buena respuesta transitoria, ocupa poco espacio en la placa de circuito impreso y ofrece una alta densidad de potencia en un paquete pequeño, perfecto para electrodomésticos como refrigeradores y aparatos de aire acondicionado, dispositivos de telecomunicaciones, adaptadores y equipos de alimentación secundaria.

Figura 2: Un regulador de conmutación reductor BD9E105FP4-ZTL se adapta a las necesidades de menor tensión. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Reguladores de conmutación elevadores

El regulador de conmutación elevador MP3414AGJ-Z tiene una salida ajustable y su delgado perfil es idóneo para una aplicación de montaje en superficie donde el espacio es limitado. Puede funcionar fácilmente en un rango de temperaturas de -40 °C ~ +125 °C y puede empezar a funcionar a partir de una tensión de entrada tan baja como 1.8 V, al tiempo que proporciona corriente de irrupción y protección contra cortocircuitos de salida (SCP).

La capacidad de funcionar en modo de corriente sincrónica manteniendo un alto rendimiento es necesaria cuando se requiere un convertidor elevador con desconexión de salida. Además, no es necesario un diodo Schottky externo, ya que se ha mejorado la eficiencia con un rectificador sincrónico de canal P integrado. La función de desconexión de salida cuando el MP3414A se apaga permite una descarga completa mientras consume una corriente de alimentación de menos de 1 μA mientras está en modo de apagado.

Cuanto más pequeño, mejor

Se pueden realizar menos componentes externos utilizando el MP3414A. Utiliza una frecuencia de conmutación de 1 MHz para permitir componentes externos más pequeños, mientras que su función de arranque suave minimiza el recuento de piezas externas. Puede manejar amplios rangos de carga de corriente. Además, el MOSFET de potencia integrado admite picos de corriente de conmutación superiores a 3 A con una salida que alcanza los 5.5 V.

Esta versatilidad y amplia potencia en un tamaño compacto es ideal con aplicaciones como productos de baterías de litio de una sola célula, incluidos los formatos de dos y tres células alcalinas, NiMH o NiCd. Los periféricos inalámbricos, los accesorios para juegos, los dispositivos médicos personales y los reproductores multimedia portátiles se benefician de un convertidor elevador como el MP3414A.

La tecnología avanza rápidamente y es cada vez más compacta. En comparación con el SOP-J8, el MP3414AGJ-Z en un encapsulado TSOT23 es aproximadamente un 72% más pequeño, lo que permite reducir considerablemente el espacio ocupado (Figura 3).

Figura 3: A medida que los componentes se diseñan cada vez más pequeños, es necesaria la miniaturización de tipos de envase como el TSOT23. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Maximización de la eficiencia y reducción del consumo de energía

La necesidad de miniaturización es una fuerza motriz constante, a la que se suma la necesidad de mantener la fiabilidad y la eficiencia energética. El regulador de conmutación reductor BD9E202FP4-ZTL proporciona una salida ajustable y una potencia fiable en un diseño compacto (Figura 4).

Figura 4: El BD9E202FP4-ZTL es un regulador de conmutación reductor que proporciona una potencia fiable en un diseño más pequeño y compacto. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Aunque pueda existir la idea de que reducir el tamaño significa sacrificar la capacidad de carga o la fiabilidad del suministro eléctrico, no es así. El BD9E202FP4-ZTL ofrece una elevada eficiencia de conversión, al tiempo que contribuye a reducir el consumo de energía (Figura 5).

Al proporcionar una corriente de espera baja, los dispositivos alimentados por batería pueden beneficiarse de un consumo de energía mínimo cuando están inactivos. Además, el control constante del tiempo de conexión permite un funcionamiento eficiente con cargas ligeras.

Figura 5: Los diseñadores buscan convertidores CC/CC reductores de alta eficiencia que puedan funcionar de forma eficiente y fiable. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Convertidores Flyback para CA/CC y CC/CC

El convertidor flyback es un convertidor reductor-elevador que incorpora un transformador fly-back. Se utiliza tanto en conversión CA/CC como CC/CC, donde hay aislamiento galvánico entre cualquier salida y la entrada, y ofrece la multiplicación de relaciones de voltaje con la ventaja adicional del aislamiento.

Un convertidor de potencia aislado cuenta con control en modo de tensión y control en modo de corriente como sus dos esquemas de control. En la mayoría de los casos, el control del modo de corriente debe ser dominante para la estabilidad durante el funcionamiento.

Convertidores CC-CC reductor-elevador

Un convertidor CC-CC típico con una magnitud de tensión de salida mayor o menor que la tensión de entrada es un convertidor reductor-elevador. También es posible generar tensiones negativas. Es similar a un convertidor flyback, pero en lugar de utilizar un transformador, utiliza un único inductor. En concreto, un convertidor reductor-elevador consta de dos topologías diferentes, y ambas producen un rango de tensiones de salida que van desde mayores que la entrada hasta tan pequeñas como cero.

A veces denominadas "choppers", las fuentes CC/CC incluyen un circuito reductor-elevador, que funciona como convertidor elevador o reductor, según el ciclo de trabajo.

Conclusión:

La conversión de potencia eficiente para los diseños industriales y de automoción actuales no puede funcionar sin reguladores de tensión de conmutación. A medida que los diseños actuales se hacen más compactos, la demanda de componentes versátiles y eficientes que mantengan niveles de potencia constantes nunca ha sido mayor.

Aunque los reguladores de tensión conmutados pueden recibir diferentes nombres -SMPS, conmutador CC/CC, regulador o convertidor-, RHM ofrece una amplia variedad de opciones compactas para diversas aplicaciones que requieren una conversión de potencia eficiente.