Usar módulos de potencia programables para acelerar el diseño del regulador CC/CC

La conmutación de los reguladores de voltaje CC-CC trae una alta eficiencia a las fuentes de alimentación. Aunque hay una amplia variedad de reguladores monolíticos de buena calidad disponibles, cada uno está diseñado para satisfacer las necesidades de una gama de aplicaciones en lugar de las especificaciones únicas de un diseño propio de un ingeniero. Por otra parte, la optimización de la fuente de alimentación para una aplicación particular requiere iteraciones de diseño costosas y que consumen mucho tiempo.

Lo que los diseñadores necesitan es una interfaz basada en la web para un proveedor de fuentes de alimentación que les permita configurar su diseño de fuente de alimentación con los parámetros de rendimiento que requieren, y luego hacer que se envíe a granel una vez que el diseño se congele.

Este artículo describe uno de esos procesos de diseño cuando se utilizan módulos de potencia configurables. Específicamente, el artículo describirá cómo el kit de evaluación (EK) y el software basado en la web de MPS pueden ser utilizados para acelerar el proceso de diseño para un simple o más avanzado diseño de convertidor CC-CC.

Empezar con el diseño del convertidor CC-CC

Es totalmente posible diseñar un regulador de voltaje de conmutación desde cero y con relativamente pocos componentes. Por ejemplo, un diseño básico comprende un transistor -que se utiliza esencialmente como un diodo de conmutación-, un inductor, un capacitor a través de la salida y otro a través de la entrada. Sin embargo, para una solución práctica, es probable que se necesiten varios elementos adicionales, entre ellos una referencia de voltaje, un amplificador de error, un comparador, un oscilador y un controlador de interruptor. Sin embargo, pocos ingenieros optan por diseñar a partir de componentes discretos porque existe una amplia gama de reguladores de voltaje CC-CC monolíticos altamente integrados, probados y económicos.

A menudo es más fácil seleccionar un regulador de un proveedor establecido basándose en los requisitos de la especificación, como el voltaje de entrada y salida, la máxima corriente de carga y la máxima ondulación del voltaje, con factores como la eficiencia, la respuesta transitoria y la respuesta de frecuencia que entran en juego para los diseños avanzados. Aunque los fabricantes de chips ofrecen una impresionante gama de soluciones que satisfacen la mayoría de las especificaciones, es imposible que suministren un dispositivo perfectamente adaptado a cada eventualidad. Eso deja al diseñador con algo de trabajo por hacer.

La cantidad de trabajo depende del grado de integración de la solución monolítica, pero un punto de partida típico para un diseño de baja corriente (menos de 10 amperios (A)) es un chip que integra el capacitor de modulación de ancho de pulso (PWM), elementos de conmutación (transistores de potencia MOSFET) y diodo(s) de bypass, dejando que el diseñador especifique el inductor externo, los condensadores de bypass y otros componentes pasivos necesarios para los circuitos de filtro de entrada y salida.

Aunque hay mucha información sobre cómo diseñar una fuente de alimentación basada en un regulador monolítico de los fabricantes y otras fuentes (incluida la lista de lecturas recomendadas que figura a continuación), sigue siendo un proceso difícil y tedioso que implica el cálculo y luego varios ciclos de prototipado de hardware para ver cómo funciona en la práctica el circuito teórico, y luego ajustarlo para que cumpla con precisión la especificación.

MPS ofrece una ruta alternativa a este proceso de diseño de fuentes de alimentación que consume mucho tiempo con sus módulos de alimentación configurables.

Introducción a los módulos de potencia configurables

En el corazón del módulo de potencia configurable mEZDPD3603A de MPS se encuentra un convertidor reductor de alta frecuencia, síncrono y rectificado con una interfaz de control I²C, una memoria ROM multipágina programable de una sola vez (OTP) y una capacidad de corriente de salida continua de 3 A. El convertidor integra MOSFET de alta y baja potencia, redes de compensación y un divisor de retroalimentación. El nivel de voltaje de salida, la velocidad de giro del voltaje, la frecuencia de conmutación, la habilitación y los modos de ahorro de energía son programables a través de una interfaz I²C, lo que permite al diseñador optimizar cada salida para su diseño particular.

La operación de modo de corriente ofrece una rápida respuesta a transitorios y facilita la estabilización de bucle. Las características de protección total incluyen bloqueo por bajo voltaje (UVLO), protección por sobre voltaje (OVP), protección por sobrecorriente (OCP) y protección por sobretemperatura (OTP).

El módulo mEZDPD3603A agrega a este convertidor reductor casi todos los componentes periféricos necesarios para un diseño funcional (Figura 1).

Figura 1: Esquema interno del módulo MPS mEZDPD3603A. Todo lo que le queda al diseñador es especificar los valores de los capacitores de entrada (C_IN) y de salida (C_OUT). (Fuente de la imagen: MPS)

Para completar el diseño de una fuente de alimentación de un regulador de corriente continua, todo lo que el diseñador necesita añadir son los capacitores de entrada (C_IN) y de salida (C_OUT). Cuando se diseña desde cero, calcular el valor de estos capacitores no es sencillo y está influenciado por el voltaje de salida, la carga, el ciclo de trabajo y la ondulación del voltaje (ver el artículo técnico de DigiKey. "La selección del capacitor es la clave para un buen diseño del regulador de voltaje"). Pero en el caso del módulo MPS, el fabricante ha calculado los valores para el diseñador. La selección final solo está influenciada por el voltaje de salida (Figura 2 y Tabla 1).

Figura 2: En un circuito de aplicación típica MPS mEZDPD3603A, R2 se utiliza para establecer la dirección I²C para permitir la identificación de múltiples módulos en un sistema. (Fuente de la imagen: MPS)

Tabla 1: Se muestran los valores de los capacitores recomendados para el circuito de aplicación de la figura 2 para varios voltajes de salida. (Fuente de la imagen: MPS)

Si la fuente de alimentación va a ser empleada en un producto cubierto por estrictas regulaciones de interferencia electromagnética (EMI), el capacitor de entrada puede ser reemplazado por un circuito de filtro L-C que comprende tres capacitores y un inductor. (Para más información sobre el diseño de los circuitos de filtro de entrada y salida, consulte el artículo técnico de DigiKey "Utilizar reguladores de conmutación de baja EMI para optimizar los diseños de potencia de alta eficiencia"). El valor de estos componentes depende de nuevo del voltaje de salida, y una vez más el fabricante ha dado las respuestas. (Figura 3 y Tabla 2.)

Figura 3: Circuito de aplicación mEZDPD3603A de MPS con filtrado EMI para la norma EN55022 Clase B. (Fuente de la imagen: MPS)

Tabla 2: Valores de los componentes recomendados para el circuito de aplicación anterior para varios voltajes de salida. (Fuente de la imagen: MPS)

El módulo ofrece un rango de voltaje de entrada de 4.5 a 36 voltios con una salida de 0.6 a 12 voltios. La precisión de la tensión es de ±1% y la regulación de la línea y la carga (V_IN = 24 voltios, V_OUT = 5 voltios) es de ±1%. La corriente máxima es de hasta 3 A y la ondulación del voltaje de salida (V_IN = 24 voltios, V_OUT = 5 voltios, a plena carga) es de 30 milivoltios (mV). La tabla 3 resume las cifras de rendimiento y eficiencia del módulo, mientras que V_OUT para varios valores de eficiencia y corriente de carga se muestra en la figura 4.

Tabla 3: Parámetros de rendimiento del mEZDPD3603A de MPS. (Fuente de la imagen: MPS)

Figura 4: Cifras de eficiencia MPS mEZDPD3603A para V_IN = 24 voltios y V_OUT = 3.3, 5 y 12 voltios. (Fuente de la imagen: MPS)

Kit de evaluación del módulo de energía configurable

Debido a que el módulo MPS incluye circuitos lógicos digitales, su rendimiento operacional puede ser modificado cambiando los parámetros del software. El acceso a los parámetros se realiza a través de la interfaz I²C del módulo, desde donde se pueden interrogar y modificar los ajustes de la memoria RAM del dispositivo. Una vez que se ha alcanzado el ajuste óptimo deseado, la memoria OTP ROM permite almacenar los ajustes de forma permanente.

MPS proporciona herramientas de hardware y software para apoyar el diseño con los módulos de potencia configurables. La herramienta principal es el hardware EK PKT-MEZDPD3603A. El EK mide 64 por 64 milímetros (mm) e incluye capacitores de entrada y salida (y un filtro EMI opcional si es necesario), además de un conector en el que se enchufa el módulo de alimentación configurable. Una vez conectado el módulo, es necesario conectar al EK una carga apropiada y una fuente de alimentación que proporcione el voltaje de entrada deseado (entre 4.5 y 36 voltios) (Figura 5).

Figura 5: El kit de evaluación del módulo de potencia configurable incluye un enchufe para el módulo y requiere una fuente de alimentación y carga externa. (Fuente de la imagen: MPS)

El EK también requiere una conexión a un PC para permitir la configuración del software Virtual Bench V3.0 de MPS. La compañía proporciona un dongle USB (extremo PC) a I²C (extremo EK) para este propósito. Un cable USB conecta el dongle al PC y un cable de cinta de 10 pines hace el trabajo en el otro lado. La interfaz I²C del EK se conecta directamente a los pines I²C del módulo y permite la configuración desde el PC (Figura 6).

Figura 6: El módulo de potencia configurable EK requiere una fuente de alimentación, carga y conexión a un PC a través de un USB a dongle I²C. (Fuente de la imagen: MPS)

Programar el módulo de alimentación

Una vez que el hardware se conecta al PC (con Windows XP, 7 o posterior) y se instala y se pone en marcha Virtual Bench V3.0 en la computadora, se presentan dos opciones al desarrollador: "Simulation & Program" (Simulación y Programa) (que permite que la configuración del desarrollador se ejecute en un simulador de software en lugar del hardware EK) y "Direct Programming Mode" (Modo de programación directa). La siguiente discusión se centra en la opción de programación directa porque permite al desarrollador configurar directamente el módulo en el corazón del hardware de EK.

Hay dos tipos de configuraciones disponibles en Virtual Bench V3.0: Básica y Avanzada. En la configuración básica, el desarrollador puede leer los ajustes existentes para el voltaje de salida (voltios), el valor del inductor (en microhondas (µH)), la frecuencia de conmutación (en kilohercios (kHz)) y el modo de funcionamiento (por ejemplo, el modo de corriente de pico). El desarrollador puede entonces hacer cambios en estos ajustes, programar la RAM del módulo con los números revisados y encender el módulo para comprobar el impacto de los cambios en su rendimiento.

Del mismo modo, en la pestaña Avanzado, el diseñador puede interrogar y cambiar los ajustes de parámetros de rendimiento más detallados, bajo las siguientes agrupaciones:

• Modo de carga ligera: Los modos disponibles son la Modulación Asíncrona Avanzada (AAM) y el Modo de Corriente Continua Forzada (CCM). El AAM optimiza la eficiencia del convertidor durante las condiciones de carga ligera o sin carga, mientras que el CCM forzado mantiene la frecuencia de conmutación constante con una ondulación de salida más pequeña (pero es menos eficiente que el AAM bajo cargas ligeras).
• Compensación: Estos ajustes alteran la respuesta de frecuencia del regulador que determina la respuesta transitoria, la precisión y la estabilidad del dispositivo, y a su vez lo bien que mantiene una salida de voltaje fijo bajo variaciones en el voltaje de entrada, la carga y el ciclo de trabajo. Una buena compensación conduce a una fuente de energía que es estable en un amplio rango de frecuencias, pero que no está sobrecompensada, por lo que su respuesta dinámica es pobre.
• Conmutación: Estos ajustes alteran la velocidad de giro de la tensión ascendente y descendente cuando el regulador conmuta, y el tiempo y la amplitud de la vacilación de la frecuencia. Tanto la tasa de descenso como la interpolación son importantes para minimizar el EMI.
• El umbral VIN/EN: Estos ajustes determinan los límites del umbral (y la histéresis) del voltaje de entrada UVLO y el funcionamiento EN.
• El poder es bueno: Estos ajustes determinan los umbrales de subida y bajada y la histéresis de "Power Good".
• Hora SS: Configuración para el arranque suave. El arranque suave evita que el regulador sobrecargue la entrada cuando la salida está activada.
• Protección: Estos ajustes permiten al diseñador implementar modos y umbrales de protección como la corriente máxima, OVP y OTP (Figura 7).

Figura 7: La GUI Virtual Bench de MPS incluye una programación avanzada del módulo configurable para optimizar su rendimiento para cumplir con la especificación del diseñador. (Fuente de la imagen: MPS)

Una vez que el diseñador ha seleccionado los mejores ajustes para la aplicación, la información se escribe en la RAM incorporada del módulo. El desarrollador puede entonces ejecutar el EK bajo varias cargas para comprobar su rendimiento. Es muy sencillo modificar la configuración y reescribir en la RAM para optimizar el rendimiento de la fuente de alimentación.

Debido a que la RAM es volátil, una vez que el módulo se apaga, se pierden los ajustes. Al reiniciar, el módulo se inicia con los ajustes de fábrica. Es posible exportar la información en la RAM al Virtual Bench antes de apagarlo para futuras referencias.

Una vez que se determinan los ajustes óptimos, el diseñador puede programarlos en la OTP ROM de manera que se mantengan en el apagado y se utilicen la próxima vez que el módulo se encienda. El EK todavía permite experimentar más ajustes a través de la interfaz I²C y la RAM, pero después del primer uso de la ROM, no se pueden guardar más ajustes.

Conclusión:

Aunque se dispone de una amplia gama de excelentes reguladores de voltaje monolíticos, el diseñador todavía se enfrenta a mucho trabajo para diseñar y probar los circuitos periféricos que optimizan el rendimiento del diseño para una aplicación particular. Al combinar un diseño de hardware completo en un módulo con lógica digital programable, los módulos programables configurables de MPS facilitan y aceleran este bucle de diseño.

Como se muestra, un EK combinado con una interfaz gráfica de usuario basada en PC hace que la configuración sea sencilla, y el diseñador puede hacer ajustes básicos como el voltaje o la corriente de salida y dejar el resto en el valor predeterminado de fábrica o dedicarse a un diseño de convertidor de conmutación más avanzado para minimizar la EMI y la respuesta transitoria a la vez que se maximiza la estabilidad y la eficiencia.

Una vez congelado el diseño, se pueden suministrar cantidades de producción del módulo no programadas para que el cliente las configure a partir de los datos del prototipo, o, si la información de configuración se suministra a MPS, los módulos pueden ser programados en la fábrica y suministrados listos para su uso.

Lecturas recomendadas

1. La selección de los capacitores es la clave para un buen diseño de los reguladores de voltaje.
2. Utilizar reguladores de conmutación de baja EMI para optimizar los diseños de alta eficiencia energética.
3. Respuesta del bucle de control del regulador de conmutació.
4. Diseñar redes de compensadores para mejorar la respuesta de frecuencia del regulador de conmutación.
5. La diferencia entre los modos continuo y discontinuo del regulador y por qué es importante.