Ventajas de la modulación por frecuencia de pulsos para convertidores CC/CC de conmutación de voltaje

La popularidad de los convertidores CC/CC de conmutación de voltaje radica principalmente en su eficiente regulación sobre una amplia gama de entradas de voltaje y corriente de salida en comparación con los reguladores lineales. Sin embargo, en menores niveles de carga, la eficiencia comienza a disminuir a medida que la corriente de reposo del CI del convertidor contribuye significativamente a las pérdidas del sistema.

Los fabricantes de componentes de alimentación líderes ofrecen ahora una gama de convertidores de conmutación de "modo dual" con capacidad de conmutar automáticamente desde el popular método de modulación por ancho de pulso (PWM) a la técnica de regulación de modulación por frecuencia de pulsos (PFM) en un umbral de corriente preestablecido con el fin de mejorar la eficiencia a baja carga.

Este artículo describe cómo funciona la PFM, explica sus beneficios y algunas de sus desventajas, y, a continuación, considera cómo algunos proveedores de silicio aplican la técnica en sus chips de potencia integrados.

PWM versus PFM

PWM no es la única técnica para regular la salida de una convertidor de conmutación. En lugar de modificar el ciclo de trabajo de una onda cuadrada de frecuencia fija para regular la salida de una fuente de alimentación, también es posible usar un ciclo de trabajo constante y, luego modular la frecuencia de onda cuadrada (PFM) para hasta alcanzar la regulación. Los convertidores CC/CC de voltaje equipados con controles de tiempo de encendido constante o de tiempo de parada constante son ejemplos típicos de la arquitectura PFM.

Un segundo ejemplo de arquitectura PFM es lo que se conoce como un convertidor de voltaje histerético que utiliza un método simple de regulación en virtud del cual el MOSFET es activado y desactivado según los cambios de salida de voltaje detectados por el convertidor. Esta arquitectura a veces se denomina "regulador de ondulación" o "controlador bang-bang" ya que continuamente cambia el voltaje de salida una y otra vez hasta justo por encima o por debajo del punto de ajuste. La histéresis se utiliza para mantener un funcionamiento predecible y evitar la vibración del interruptor. Debido a que la arquitectura histerética hace variar la señal de impulso a los MOSFET según las condiciones de funcionamiento del circuito, la frecuencia de conmutación varía.

Las arquitecturas PFM ofrecen algunas ventajas para la conversión CC/CC, entre ellas, una mejor eficiencia de conversión de potencia baja, menor costo total de la solución y topologías de convertidor simple que no requieren redes de compensación de bucle de control, pero son menos populares que los dispositivos PWM debido a algunos inconvenientes notables.

El primero es el control de EMI. Los circuitos de filtrado para un convertidor de conmutación de frecuencia fija son mucho más fáciles de diseñar que los de un dispositivo que funciona en una amplia gama de frecuencias. En segundo lugar, las arquitecturas PFM tienden a producir una mayor ondulación de voltaje en la salida que puede causar problemas para ofrecer suministro a un silicio sensible. En tercer lugar, el funcionamiento PFM a baja frecuencia (o incluso a frecuencia cero) aumenta el tiempo de respuesta de transitorios del convertidor de conmutación que podría causar una respuesta lenta y la decepción para el consumidor en algunas aplicaciones portátiles.

Sin embargo, combinando las ventajas de una arquitectura PWM con las de un dispositivo PFM en un convertidor monolítico de conmutación de "modo dual", los fabricantes pueden ofrecer una solución con alta eficiencia en todo su rango de funcionamiento. Las inquietudes relacionadas con las EMI en una PFM se atenúan en gran medida porque la causa de esa interferencia es la conmutación rápida a altas corrientes y voltajes elevados, mientras que en chips de modo dual, el funcionamiento de frecuencia variable sólo se utiliza durante el funcionamiento de baja intensidad y de bajo voltaje.

Pérdidas de energía en un regulador de conmutación de voltaje

La técnica más común para regular el voltaje de un dispositivo de conmutación es utilizar un oscilador y controlador de PWM para producir una onda de pulso rectangular que alterna la unidad interna del MOSFET (o de los MOSFET en un dispositivo sincrónico) a una frecuencia establecida generalmente en un rango de cientos de megahercios. (Las frecuencias más altas permiten componentes magnéticos más pequeños a expensas de los desafíos de una mayor interferencia electromagnética (EMI].) El voltaje de salida del regulador es proporcional al ciclo de trabajo de la onda PWM.

En general, la técnica funciona bien, pero en cargas bajas se compromete la eficiencia. Para comprender el motivo, resulta beneficioso considerar dónde ocurren las pérdidas de energía, ya que la energía que se extrae en la entrada del regulador de voltaje no se transfiere a la carga de salida.

Hay cuatro fuentes principales de pérdida en un regulador de conmutación. La primera es la pérdida dinámica debido a la energía que se usa para la carga y descarga de la capacitancia de compuerta del MOSFET, y es mayor cuando el transistor(es) funciona a alta frecuencia. Estas pérdidas de conmutación se producen cuando la corriente fluye a través del canal de drenaje de origen mientras que existe un importante diferencial de voltaje a través del mismo. Otras pérdidas en MOSFET se producen al pasar altas corrientes a través de la resistencia del canal no cero de elementos de conmutación de potencia. (Esta es la razón por la cual los fabricantes de componentes trabajar tan dedicadamente para reducir la "resistencia de encendido" de sus productos.)

Además de los componentes de conmutación, los dispositivos pasivos en los circuitos de regulador de conmutación son también propensos a la ineficacia. En el inductor, las pérdidas son el resultado de la conducción (en las bobinas) y del núcleo magnético. En el caso de los capacitores, las pérdidas están normalmente asociadas con una resistencia en equivalente en serie (ESR) del componente y están determinadas por la capacitancia del dispositivo, su frecuencia de funcionamiento, y su corriente de carga.

Hay dos maneras de implementar un regulador de conmutación. Un ingeniero puede, o bien construir un dispositivo desde cero utilizando componentes discretos o bien puede basar la alimentación en uno de los muchos CI de convertidor disponibles de los principales proveedores de semiconductores como Texas Instruments, Linear Technology, y Fairchild Semiconductor. La ventaja de un módulo es que el proceso de diseño se simplifica. (Ver el artículo en TechZone “Reguladores de Voltaje CC/CC: Cómo elegir entre un diseño modular y uno discreto.") 

Sin embargo, el CI del convertidor en sí contribuye a la pérdida total del regulador de conmutación. Por ejemplo, se necesita parte de la energía para proporcionar corrientes de polarización interna a los amplificadores, comparadores y referencias, pero las principales pérdidas para el CI están asociadas con el oscilador interno y los circuitos de impulso para el controlador de PWM. Estas pérdidas son relativamente insignificantes cuando el regulador de conmutación está sujeto a cargas elevadas, pero cuando la carga disminuye, las pérdidas asociadas con la conmutación y los dispositivos pasivos externos disminuyen, mientras que las asociadas con el CI del convertidor permanecen constantes.

Esto presenta un dilema para el diseñador de productos portátiles. El ingeniero se encuentra bajo presión para manejar el presupuesto de la batería, por lo que la elección de un eficiente regulador de conmutación (en comparación con, por ejemplo, un regulador lineal) parece la elección más obvia. (Ver el artículo TechZone “Técnicas de diseño para extender la vida útil de las baterías de iones de litio.”) Sin embargo, los productos portátiles pasan largos períodos en modos de bajo consumo en "espera" o "suspensión", donde la demanda para el convertidor de conmutación es modesta y está funcionando de modo relativamente ineficiente.

Un típico dispositivo portátil puede requerir aproximadamente un amperio cuando está en pleno funcionamiento pero la demanda es menos de un miliamperio cuando está en modo de espera o suspensión. Teniendo en cuenta que el CI del convertidor puede consumir unos pocos miliamperios simplemente para preservar su estado de funcionamiento, no resulta difícil de creer que la eficiencia de conversión sea pobre en condiciones de baja carga debido a que la corriente de reposo del regulador representa una fracción significativa de la carga total.

Mejorar la eficiencia

Para hacer frente a las pérdidas predominantes (es decir, aquellas asociadas con el oscilador interno y los circuitos de impulsión para el controlador PWM) un diseñador puede elegir uno de los numerosos convertidores de conmutación de modo dual disponibles en el mercado. Los dispositivos combinan el funcionamiento PWM normal con una técnica PFM (que normalmente incluye frecuencias variables que generalmente suelen ser muy inferiores a la frecuencia fija normal cuando operan bajo PWM).

Cuando un convertidor de conmutación de modo dual funciona a corrientes de moderadas a altas, se ejecuta en modo de conducción continua (en donde la corriente en el inductor nunca cae a cero). A medida que la corriente de carga disminuye, el convertidor puede cambiar a modo discontinuo (cuando la corriente en el inductor cae a cero debido a la poca carga). En cargas muy ligeras, el convertidor pasa a PFM (a veces denominado "modo de ahorro de energía" [PSM, por sus siglas en inglés] por los fabricantes). Otros proveedores toman el funcionamiento de frecuencia variable a un extremo deteniendo el oscilador completamente (lo que a menudo se denomina como "salto de impulsos" ).

Cabe señalar que el uso de PFM en baja carga no significa que el convertidor de conmutación utilice una arquitectura PFM, sino que emplea una arquitectura PWM capaz de utilizar la función PFM según sea necesario.

Bajo condiciones de carga liviana, el capacitor de salida de un convertidor de conmutación puede mantener el voltaje de salida durante algún período de tiempo entre impulsos de conmutación. En un caso ideal, el oscilador puede desactivarse por completo en una condición sin carga y el voltaje de salida permanecería constante debido al estado de carga del capacitor de salida. Sin embargo, las pérdidas parásitas desgastan al capacitor y el circuito requiere impulsos al menos ocasionales por parte de los interruptores de alimentación para mantener regulado el voltaje de salida.

Durante el funcionamiento PFM, la potencia de salida es proporcional a la frecuencia promedio del tren de impulsos, y el convertidor funciona cuando el voltaje de salida cae por debajo del voltaje de salida establecido, según las mediciones del bucle de control de retroalimentación. La frecuencia del convertidor de conmutación luego se incrementa hasta que el voltaje de salida alcanza un valor típico entre el voltaje de salida establecido y un 0.8 a un 1.5 por ciento por encima del voltaje de salida (la Figura 1 ilustra la técnica).


Figura 1: La PFM hace variar la frecuencia de un tren de pulsos rectangular de un ciclo de trabajo fijo para satisfacer demanda de carga.

Efectos secundarios del funcionamiento PFM

Un aumento en la ondulación de salida de voltaje se observa a menudo cuando el convertidor de conmutación cambia a modo PFM debido a la necesidad de tener una banda de tolerancia (en lugar de un punto fijo) para detectar cuándo los interruptores de alimentación deben volver a encenderse nuevamente. Si se utiliza una banda de tolerancia menor, el convertidor se ajusta más a menudo, lo cual reduce el ahorro de energía. El ingeniero debe decidir sobre el compromiso entre una mejor eficiencia de baja carga y un aumento de la ondulación de voltaje. Las Figuras 2a y 2b ilustran la diferencia entre la ondulación de voltaje para un convertidor de conmutación que funciona en modos PWM y PFM, respectivamente.


Figura 2: Ondulación de voltaje de modo PWM (a) y funcionamiento PFM (b) (cortesía de Analog Devices).

Durante los transitorios de carga, cualquier convertidor de conmutación manifiesta cierto volumen de sobrecresta durante los transitorios de alta a baja carga o bajacresta durante los trasitorios de baja a alta carga. En el caso de un convertidor que está funcionando en PSM, el nivel de carga ya es bajo, por lo tanto,el próximo transitorio será desde corriente baja a alta (lo que normalmente corresponde a la transición de modo de suspensión a activo). El aumento de la carga en la salida del regulador a menudo causa una "caída de voltaje de salida" hasta que el bucle del convertidor tenga tiempo para responder.

Algunos convertidores de conmutación incluyen la capacidad de minimizar esta caída de voltaje. El dispositivo TPS6 2400 de TI utiliza el "posicionamiento de voltaje dinámico". Durante el funcionamiento PSM, el punto de ajuste del voltaje de salida se aumenta levemente (por ejemplo, en un 1 por ciento) para anticipar el transitorio instantáneo de caída de voltaje que se produce cuando la carga recibe un aumento inesperado. Esto evita que el voltaje de salida caiga por debajo de su ventana esperada de regulación durante la carga inicial de transitorios.

Algunos dispositivos también ofrecen una mejora que puede se utilizada para equilibrar el compromiso entre buena respuesta transitoria (mejor en modo PWM) y el bajo consumo de potencia (mejor en PSM). La mejora es un modo intermedio que el ingeniero puede aplicar usando comandos I²C para el CI del convertidor que ofrece mejor respuesta transitoria que PSM, pero es más eficiente que PWM. El modo intermedio es una buena opción para un sistema que va desde una carga muy alta a una carga muy ligera (por ejemplo, el modo de suspensión).

PFM en chips comerciales

El funcionamiento PFM a bajas cargas puede reducir la corriente de reposo del CI desde varios mA hasta unos pocos µA. La Figura 3 muestra la eficiencia de conversión de los convertidores de conmutación TPS62400 cuando están funcionando en modo PWM en comparación con PSM a niveles de carga liviana.


Figura 3: Mejoras en la eficiencia al implementar PSM en dispositivos TPS62400 de TI.

En la Figura 3 puede observarse que mientras el modo PWM mantiene una buena eficiencia por encima de los 100 mA, el uso de PSM aumenta la eficiencia hasta entre 80 y 90 por ciento incluso en corrientes de carga inferiores 1 mA. Si el convertidor opera en modo PWM durante tales cargas ligeras, su corriente de funcionamiento sería significativamente mayor que la corriente de carga, lo que se traduce en una eficiencia en la conversión muy pobre (menos de 30 por ciento).

Analog Devices ofrece numerosos convertidores de conmutación con PSM. Al entrar en este modo, una compensación inducida en el nivel de regulación PWM hace que el voltaje de salida aumente, hasta alcanzar aproximadamente 1.5 por ciento por encima del nivel de regulación PWM , punto en el cual se apaga la función PWM: ambos interruptores de alimentación se desactivan y se ingresa a modo inactivo. El capacitor de salida se descarga hasta que el V_OUT cae hasta el voltaje de regulación PWM. Luego, el dispositivo impulsa al inductor, causando que el V_OUT vuelva a subir al umbral superior. Este proceso se repite en la medida en que la corriente de carga se encuentre por debajo del umbral de corriente PSM.

El regulador de voltaje ADP2108 emplea PSM para mejorar la eficiencia desde 40 a 75 por ciento con un voltaje de entrada de 2.3 V y una corriente de salida de 10 mA. El chip es un convertidor reductor de 3 MHz ("buck") que ofrece 3.3 V de salida desde 2.3 a 5.5 V de entrada de hasta 600 mA. La Figura 4 muestra el punto donde ocurre la transición de PWM a PSM.


Figura 4: Umbral PWM a PSM del dispositivo ADP2108 de Analog Devices.

Otros fabricantes de componentes de energía también ofrecen convertidores de conmutación de modo dual. Linear Technology ofrece el dispositivo LTC3412A el cual incluye tanto funcionamiento en "Modo Ráfaga" como modo de saltos de impulso para mejorar la eficiencia a bajas cargas. El chip es un convertidor reductor que puede funcionar en un rango de entrada de 2.25 a 5.5 V con una salida de 0.8 a 5 V en un máximo de 3 A.

El modo ráfaga es un ejemplo de la técnica de PFM intermedia descrita anteriormente que mejora la eficiencia y a la vez mantiene una respuesta a transitorios razonable. Por ejemplo, a través de la aplicación del Modo Ráfaga, la eficiencia en corriente de salida de 10 mA(V_IN3.3 V, V_OUT 2.5 V) se ha mejorado de 30 a 90 por ciento. El dispositivo LTC3412A también incluye un modo operativo convencional de salto de impulso que reduce aún más las pérdidas de conmutación a bajas cargas.

Extender la vida útil de la batería

Los convertidores de conmutación controlados por PWM son la elección popular cuando un ingeniero de diseño necesita extender la vida de la batería de un producto portátil. Sin embargo, es importante recordar que muchos productos portátiles pasan gran parte de su tiempo en modos de espera de baja energía justo en el punto de operación en que el convertidor es menos eficiente. A pesar de que la demanda sobre la batería es modesta, en el largo plazo la corriente se suma y la vida de la batería se ve comprometida.

Mediante el empleo de un convertidor que utiliza una arquitectura PWM, pero que se beneficia de técnicas PFM u otras técnicas PSM por debajo de un determinado umbral de carga, el diseñador puede beneficiarse de las ventajas de PWM durante el funcionamiento normal, pero conservando la capacidad de la batería durante largos períodos en que muchos dispositivos portátiles permanecen inactivos.