Optimizar la eficiencia del convertidor CC/CC Buck-Boost de alta corriente

Muchos diseños electrónicos, como los sistemas alimentados por baterías, requieren convertidores CC/CC sólidos para mantener una tensión de salida estable mientras la tensión de entrada fluctúa. Aunque la topología buck-boost de cuatro conmutadores es una opción popular por su flexibilidad y densidad de potencia, el escalado de estos sistemas para aplicaciones de alta corriente introduce importantes retos de diseño. Los diseñadores deben sopesar cuidadosamente las compensaciones arquitectónicas relativas a la integración dentro del regulador buck-boost. En concreto, la integración de inductores y mecanismos de detección de corriente puede afectar significativamente al tamaño, la complejidad y la eficiencia generales del circuito.

Este artículo ofrece una breve visión general de los retos y compensaciones a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas eléctricos. A continuación, presenta las soluciones de la gama de reguladores buck-boost de Analog Devices y muestra cómo pueden abordar esos retos y optimizar los diseños. El artículo también destaca los kits de evaluación y el software que los diseñadores pueden utilizar para acelerar la creación de prototipos y el desarrollo.

Compromisos de integración en el diseño de buck-boost de alta corriente

En un convertidor buck-boost de cuatro conmutadores, la etapa de potencia requiere cuatro MOSFET, un inductor de potencia y un mecanismo de detección de corriente. La forma de repartir estos componentes entre el paquete del módulo y la placa de circuito impreso (placa CI) es la decisión arquitectónica central para los diseñadores.

Colocar el inductor y la resistencia de detección externamente en la placa CI proporciona a los diseñadores un control total sobre la selección de componentes. El tamaño del inductor, el material del núcleo y la corriente de saturación pueden adaptarse con precisión a la aplicación. Sin embargo, esta flexibilidad tiene un costo: los componentes externos consumen espacio en la placa, complican el diseño y requieren un enrutamiento cuidadoso para minimizar el ruido en la ruta de detección de corriente.

La integración del inductor y la resistencia de detección en el paquete del módulo simplifica el diseño y la disposición, reduciendo el número de componentes y la huella de la placa CI. La contrapartida es que el inductor está restringido por las dimensiones del paquete, lo que puede limitar la corriente de salida máxima y el rendimiento térmico.

También es posible eliminar por completo la resistencia de detección sustituyéndola por un esquema de detección de corriente sin pérdidas. Esto mejora la eficiencia energética, lo que se traduce en un diseño de circuito integrado (CI) más complejo para el módulo buck-boost.

Cómo abordan tres familias de módulos los retos de la integración del buck-boost

Como parte de su amplia gama de productos µModule, Analog Devices ofrece una variedad de módulos CC/CC que permiten a los diseñadores elegir entre estas estrategias de integración. Este artículo se centra en los módulos buck-boost de cuatro conmutadores (figura 1): los LTM4607, LTM4605 y LTM4609; los LTM8055, LTM8056 y LTM8054; y el LTM4712. Cada uno de ellos se dirige a una región diferente del espacio de la tensión de entrada y de la corriente de salida.

Figura 1: Se muestran µModules buck-boost de cuatro conmutadores que adoptan diferentes enfoques arquitectónicos para dirigirse a varias tensiones de entrada y corrientes de salida. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificado por Kenton Williston)

Convertidor CC/CC con inductor externo y resistencia de detección

Los LTM4607, LTM4605 y LTM4609 integran el controlador y los MOSFET dentro del paquete del µModule, con el inductor de potencia y la resistencia de detección de corriente colocados externamente en la placa CI (Figura 2). Esta arquitectura ofrece a los diseñadores flexibilidad a la hora de seleccionar los valores del inductor y de la resistencia de detección para adaptarse a los requisitos específicos de la aplicación.

Figura 2: Se muestra el paquete (izquierda) de los LTM4607, LTM4605 y LTM4609, junto con el esquema de la etapa de potencia correspondiente (derecha) que resalta el inductor externo y la resistencia de detección. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los modelos LTM4607, LTM4605 y LTM4609 se presentan en paquetes LGA de 15 mm × 15 mm × 2.82 mm compatibles con pines. El LTM4605 está diseñado para aplicaciones de bajo voltaje, con un rango de tensión de entrada de 4.5 V a 20 V y una corriente de salida de 12 A (modo buck). Los modelos LTM4607 y LTM4609 amplían el rango de entrada hasta 36 V a 10 A (modo buck) y el LTM4609 proporciona el rango de tensión de salida más amplio de los tres, de 0.8 V a 34 V.

Convertidor CC/CC con inductor y resistencia de detección integrados

Los LTM8055, LTM8056 y LTM8054 (figura 3) integran el inductor de potencia y la resistencia de detección de corriente en el paquete del µModule, lo que simplifica el diseño y la disposición al reducir el número de componentes externos en la placa de circuito impreso.

Figura 3: Se muestra el módulo (izquierda) para los dispositivos LTM8055, LTM8054 y LTM8056, junto al esquema (derecha) en el que se destacan el inductor integrado y la resistencia de detección. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

De las tres familias distintas analizadas aquí, esta familia tiene la corriente de salida más baja: 5.4 A para el LTM8054, 5.5 A para el LTM8056 y 8.5 A para el LTM8055 (en modo buck). El LTM8056 tiene un rango de entrada de 5 V a 60 V, el más amplio entre los dispositivos aquí analizados, y tiene la tensión de salida más alta, de 48 V. El LTM8054 es el más compacto, con una huella de 15 mm × 11,25 mm y una altura de 3.42 mm para diseños con limitaciones de espacio. Los LTM8055 y LTM8056 se presentan en un encapsulado de 15 mm × 15 mm × 4.92 mm.

Convertidor CC/CC con inductor integrado y detección de corriente sin pérdidas

El LTM4712 (figura 4) adopta un enfoque diferente para la detección de corriente. En lugar de una resistencia de detección discreta, utiliza un esquema propio de detección de corriente sin pérdidas integrado en el módulo. Esto elimina la pérdida de potencia asociada a una resistencia de detección dedicada.

Figura 4: Se muestra el módulo LTM4712 (izquierda) junto a su diagrama esquemático (derecha), destacando el inductor integrado y la detección de corriente sin pérdidas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El inductor de potencia está integrado mediante tecnología de componente en un paquete BGA de 16 × 16 × 8.34 mm. El LTM4712 acepta una entrada de 5 V a 36 V y suministra una salida de 1 V a 36 V a 12 A en modo buck.

Comparación de especificaciones y eficiencia de los convertidores CC/CC

La tabla 1 resume las especificaciones clave de los siete dispositivos µModule aquí analizados.

Tabla 1: Se muestran las especificaciones clave de los dispositivos µModule analizados. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una comparación de la eficiencia de los LTM8055, LTM4607 y LTM4712 (figura 5) ilustra el impacto práctico de sus diferencias arquitectónicas. La comparación se realiza en tres condiciones de funcionamiento: Entrada de 6 V (modo boost), entrada de 12 V (modo buck-boost) y entrada de 24 V (modo buck), todas ellas entregando una salida de 12 V.

Figura 5: Una comparación de la eficiencia a través de tres tensiones de entrada muestra cómo se comportan el LTM8055, el LTM4607 y el LTM4712 en los modos boost, buck-boost y buck. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Funcionamiento en paralelo, regulación de corriente constante y entradas redundantes

En las secciones anteriores se ha tratado el funcionamiento básico de las tres familias de módulos buck-boost µModule. Estos dispositivos también pueden configurarse para aplicaciones más avanzadas, como el funcionamiento en paralelo para una mayor corriente, la regulación de corriente constante y la alimentación de entrada redundante. El LTM4712 ilustra las tres capacidades.

Los diseñadores que se planteen realizar diseños en paralelo pueden aprovechar el control del modo de corriente de pico del LTM4712. Este rápido control ciclo a ciclo proporciona una protección fiable y facilita un excelente reparto de la corriente cuando se utilizan configuraciones en paralelo para aplicaciones de mayor corriente.

En un escenario con cuatro módulos en paralelo, pueden configurarse para un desplazamiento de fase de 90°, ofreciendo un intercalado óptimo. Además, la salida de reloj de un módulo puede unirse a la entrada SYNC de un segundo módulo para permitir la sincronización de frecuencias.

El kit de evaluación EVAL-LTM4712-A2Z (figura 6) demuestra esta capacidad con cuatro módulos LTM4712. Esta placa es una plataforma útil para experimentar con el reparto de corriente, validar el rendimiento térmico e impulsar circuitos prototipo.

La placa hace funcionar los cuatro módulos LTM4712 en una configuración paralela intercalada, generando 12 V a 48 A a partir de una entrada de 5 V a 36 V, con los 48 A completos disponibles en los modos buck y buck-boost, y 24 A en el modo boost. También incluye una función opcional de corriente constante que suministra una corriente precisa y regulada a una carga variable.

Figura 6: La placa de evaluación EVAL-LTM4712-A2Z presenta cuatro módulos LTM4712 configurados en paralelo para una salida de 48 A en los modos buck y buck-boost. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El modo de corriente constante también está disponible en módulos LTM4712 individuales. En esta configuración, se desarrolla una tensión proporcional a la corriente de carga a través de una resistencia de detección externa. Cuando esta tensión alcanza un umbral fijado por una clavija de control, el módulo reduce automáticamente su tensión de salida para mantener la corriente en el nivel objetivo. Esta característica es útil para aplicaciones como la conducción de LED o la carga de baterías, donde mantener una corriente precisa es más crítico que mantener una tensión fija.

El LTM4712 también admite configuraciones de entrada redundante, en las que dos módulos alimentados por fuentes independientes comparten una salida común. Esto es útil para los sistemas que requieren fuentes de alimentación de reserva o los que se alimentan de distintas fuentes de entrada para soportar una carga común. En este escenario, dos módulos se conectan en paralelo, con los pines de compensación de los módulos unidos. Si alguna de las entradas se cae, el módulo restante mantiene la regulación de la salida.

Tarjetas de evaluación de conversión CC/CC y herramientas de diseño

Para ayudar a los diseñadores a empezar, Analog Devices ofrece kits de evaluación para sus µModules. Por ejemplo, el DC3189A (figura 7) es una plataforma de un solo módulo para evaluar el LTM4712 en toda su gama de 5 V a 36 V de entrada y 1 V a 36 V de salida.

Figura 7: La placa de evaluación DC3189A proporciona una plataforma de un solo módulo para evaluar el LTM4712. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

También existen herramientas informáticas para acelerar el proceso de diseño. La herramienta de diseño LTpowerCAD ayuda en la selección de componentes, la estimación de la eficiencia, la compensación del bucle y el análisis de transitorios de carga. Los diseños pueden exportarse a LTspice para la simulación en el dominio del tiempo y el análisis dinámico.

Conclusión

Los reguladores buck-boost modernos ofrecen a los desarrolladores numerosas opciones a la hora de escalar la conversión CC/CC en una amplia gama de aplicaciones de alta corriente. Los convertidores µModule de cuatro conmutadores de Analog Devices presentan amplios rangos de entrada y salida y opciones de integración flexibles. Al estar respaldados por placas de evaluación y software, estos módulos permiten a los diseñadores seleccionar e implementar rápidamente la arquitectura que mejor se adapte a sus necesidades de diseño.