Por qué y cómo utilizar los convertidores CC/CC reductores síncronos para maximizar la eficiencia de la conversión descendente

La necesidad de reducir las altas tensiones del bus a tensiones más bajas para alimentar los circuitos integrados y otras cargas es cada vez mayor en una variedad de sistemas, como la automoción, la automatización industrial, las telecomunicaciones, la informática, los electrodomésticos y la electrónica de consumo. El reto para los diseñadores es ejecutar esta conversión descendente con la máxima eficiencia, la mínima carga térmica, a bajo costo y con el menor tamaño de solución posible.

Los convertidores reductores asíncronos convencionales ofrecen una solución potencialmente barata, pero también tienen eficiencias de conversión más bajas que no satisfacen las necesidades de muchos sistemas electrónicos. Los diseñadores pueden recurrir a los convertidores CC/CC síncronos y a los controladores DC/DC síncronos para desarrollar soluciones compactas que ofrezcan una alta eficiencia.

Este artículo describe brevemente los requisitos de rendimiento de los sistemas electrónicos para la conversión CC/CC de alta eficiencia y revisa la diferencia entre los convertidores CC/CC asíncronos y síncronos. A continuación, presenta varias opciones de diseño de convertidores CC/CC síncronos de Diodes, Inc., STMicroelectronics y ON Semiconductor, junto con placas de evaluación y guías de diseño que pueden poner en marcha el desarrollo de soluciones de alta eficiencia.

Por qué son necesarios los convertidores CC/CC síncronos

Las crecientes exigencias de mayor eficiencia en todos los tipos de sistemas electrónicos, combinadas con la creciente complejidad de los sistemas, están dando lugar a la correspondiente evolución de las arquitecturas de los sistemas de energía y de las topologías de conversión de energía. Con un número creciente de dominios de tensión independientes para soportar una funcionalidad cada vez mayor, las arquitecturas de potencia distribuida (DPA) se utilizan cada vez en más sistemas electrónicos.

En lugar de tener varias fuentes de alimentación aisladas para controlar las distintas cargas, un DPA tiene una fuente de alimentación de CA/CC aislada que produce una tensión de distribución relativamente alta, y múltiples convertidores reductores más pequeños que convierten la tensión de distribución en una más baja según lo requiera cada carga individual (Figura 1). El uso de múltiples convertidores reductores ofrece las ventajas de un menor tamaño, mayor eficiencia y mejor rendimiento.

Figura 1: Arquitectura de energía distribuida que muestra la principal fuente de alimentación CA/CC aislada (extremo frontal) y los múltiples convertidores CC/CC no aislados que alimentan las cargas de baja tensión. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El proceso de selección entre los convertidores reductores asíncronos y síncronos se basa en el equilibrio entre el costo y la eficiencia. Si se requiere una solución de menor costo y se puede aceptar un menor rendimiento y una mayor carga térmica, se puede preferir una solución reductora asíncrona. Por otro lado, si la eficiencia es la prioridad y se prefiere una solución de funcionamiento más frío, un convertidor reductor síncrono de mayor coste suele ser la mejor opción.

Convertidores reductores síncronos frente a asíncronos

En la figura 2 se muestra una aplicación típica de convertidor reductor asíncrono. El LM2595 de ON Semiconductor es un circuito integrado monolítico que incluye el interruptor principal de potencia y el circuito de control. Está compensado internamente para minimizar el número de componentes externos y simplificar el diseño de la fuente de alimentación. Ofrece una eficiencia de conversión típica del 81% y disipa el 19% de la potencia en forma de calor, mientras que una solución reductora síncrona tendrá una eficiencia de conversión típica de alrededor del 90%, disipando solo el 10% de la potencia en forma de calor. Esto significa que las pérdidas térmicas en un convertidor reductor asíncrono son casi el doble de las pérdidas térmicas en un convertidor reductor síncrono. Por lo tanto, el uso de un convertidor reductor síncrono simplifica en gran medida los retos de gestión térmica al reducir la cantidad de calor generado.

Figura 2: Aplicación típica de un convertidor reductor asíncrono que muestra el rectificador de salida (D1), el filtro de salida (L1 y Cout) y la red de realimentación (Cff, R1 y R2). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

En un convertidor reductor síncrono, como el ST1PS01 de STMicroelectronics, el rectificador de salida se sustituye por la rectificación síncrona MOSFET (Figura 3). La menor resistencia de "encendido" del MOSFET síncrono en comparación con el rectificador de salida en un convertidor reductor asíncrono reduce las pérdidas y da lugar a eficiencias de conversión significativamente mayores. El MOSFET síncrono es interno al CI, eliminando la necesidad de un diodo rectificador externo.

Figura 3: Circuito de aplicación reductor síncrono que muestra la eliminación del diodo rectificador de salida externo. El filtrado de salida y los componentes de retroalimentación siguen siendo necesarios. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El mayor rendimiento y la menor carga térmica que permite un convertidor reductor síncrono tienen un coste. Con un único MOSFET de conmutación de potencia y un diodo para la rectificación, los controladores de los convertidores buck asíncronos son mucho más sencillos (y pequeños), ya que no tienen que lidiar con la posibilidad de conducción cruzada o "shoot-through", y no hay ningún FET síncrono que controlar. Una topología reductor síncrona requiere un controlador más complicado y un circuito de conducción anti-cruzada para controlar ambos interruptores (Figura 4). Garantizar que ambos MOSFETs no se enciendan al mismo tiempo y creen un cortocircuito directo requiere más complejidad y da lugar a circuitos integrados más grandes y costosos.

Figura 4: Diagrama de bloques del CI del convertidor buck síncrono que muestra los dos MOSFETs integrados (junto al pin marcado como "SW") y el circuito añadido de Driver/anti-conducción cruzada. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Aunque los convertidores reductores síncronos controlados por modulación de anchura de pulso son más eficientes en condiciones de carga moderada o completa, los convertidores reductores asíncronos suelen ofrecer mayores eficiencias de conversión en condiciones de carga ligera. Sin embargo, esto es cada vez menos cierto, ya que las últimas implementaciones de convertidores reductores síncronos incluyen múltiples modos de funcionamiento que permiten a los diseñadores optimizar las eficiencias de las cargas bajas.

Reductor síncrono para la distribución de energía de 5 y 12 voltios

Para los diseñadores que utilizan la distribución de energía de 5 y 12 voltios en productos de consumo y electrodomésticos, Diodes, Inc. ofrece el AP62600, un convertidor reductor síncrono de 6 amperios (A) con un amplio rango de entrada de 4.5 a 18 voltios. El dispositivo integra un MOSFET de potencia del lado alto de 36 miliohmios (mΩ) y un MOSFET de potencia del lado bajo de 14 mΩ para proporcionar una conversión CC/CC reductora de alta eficiencia.

El AP62600 necesita un mínimo de componentes externos como resultado de su control de tiempo de conexión constante (COT). También ofrece una rápida respuesta transitoria, una fácil estabilización del bucle y una baja ondulación de la tensión de salida. El diseño AP62600 está optimizado para la reducción de la interferencia electromagnética (EMI). El dispositivo tiene un esquema de controlador de compuerta patentado para resistir el sonido del nodo de conmutación sin sacrificar los tiempos de encendido y apagado del MOSFET, lo que reduce el ruido EMI irradiado de alta frecuencia causado por la conmutación MOSFET. El dispositivo está disponible en un paquete V-QFN2030-12 (Tipo A).

Hay un indicador de potencia que alerta a los usuarios de cualquier condición de fallo que pueda surgir. Un modo de arranque suave programable controla la corriente de irrupción en el encendido, lo que permite a los diseñadores implementar una secuencia de alimentación cuando se utilizan varios AP62600 para alimentar grandes dispositivos integrados, como matrices de puertas programables en campo (FPGA), circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), procesadores de señales digitales (DSP) y unidades de microprocesador (MPU).

El AP62600 ofrece a los diseñadores la posibilidad de elegir entre tres modos de funcionamiento para satisfacer las necesidades específicas de cada aplicación (Figura 5). Se puede lograr una alta eficiencia en todas las cargas con el funcionamiento de la modulación de frecuencia pulsada (PFM). Otros modos disponibles son la modulación por ancho de pulsos (PWM) para obtener el mejor rendimiento de ondulación, y un modo ultrasónico (USM) que evita el ruido audible con cargas ligeras.

Figura 5: El AP62600 permite a los diseñadores elegir entre tres modos de funcionamiento para satisfacer las necesidades de cada aplicación: PFM, USM y PWM. (Fuente de la imagen: Diodes, Inc.)

Para ayudar a los diseñadores a empezar a utilizar el AP62600, Diodes, Inc. ofrece la placa de evaluación AP62600SJ-EVM (Figura 6). El AP62600SJ-EVM tiene un diseño sencillo y permite el acceso a las señales adecuadas a través de puntos de prueba.

Figura 6: La placa de evaluación AP62600SJ-EVM proporciona un entorno de evaluación sencillo y cómodo para el AP62600. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Reductor síncrono para buses de 24 voltios

El L6983CQTR de STMicroelectronics presenta un rango de entrada de 3.5 a 38 voltios y ofrece hasta 3 A de corriente de salida. Los diseñadores pueden utilizar el L6983 en una amplia gama de aplicaciones, como sistemas de alimentación industrial de 24 voltios, equipos alimentados por baterías de 24 voltios, nodos inteligentes descentralizados, sensores y aplicaciones siempre activas y de bajo ruido.

El L6983 se basa en una arquitectura de modo de corriente de pico con compensación interna y está empaquetado en un QFN16 de 3 mm x 3 mm, lo que minimiza la complejidad y el tamaño del diseño. El L6983 está disponible tanto en modo de bajo consumo (LCM) como en modo de bajo ruido (LNM). El LCM maximiza la eficiencia en cargas ligeras con un rizado de tensión de salida controlado, lo que hace que el dispositivo sea adecuado para aplicaciones alimentadas por batería. LNM hace que la frecuencia de conmutación sea constante y minimiza el rizado de la tensión de salida para operaciones con cargas ligeras, cumpliendo la especificación para aplicaciones sensibles al ruido. El L6983 permite seleccionar la frecuencia de conmutación en el rango de 200 kilohercios (kHz) a 2.3 megahercios (MHz) con espectro disperso opcional para mejorar la compatibilidad electromagnética.

STMicroelectronics ofrece la placa de evaluación STEVAL-ISA209V1 para que los diseñadores puedan explorar las capacidades del regulador reductor monolítico síncrono L6983 y poner en marcha sus diseños.

Controlador reductor síncrono para diseños informáticos y de telecomunicaciones

El NCP1034DR2G de ON Semiconductor es un controlador PWM de alta tensión diseñado para aplicaciones CC/CC síncronas de alto rendimiento con tensiones de entrada de hasta 100 voltios. Este dispositivo está diseñado para su uso en la conversión de energía no aislada de 48 voltios en aplicaciones de telecomunicaciones, redes e informática integradas. El NCP1034 acciona un par de MOSFET de canal N externos como se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Circuito de aplicación típico del CI controlador reductor síncrono NCP1036 que muestra los MOSFETS del lado de alta y del lado de baja (Q1 y Q2, respectivamente). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El NCP1036 cuenta con una frecuencia de conmutación programable de 25 kHz a 500 kHz y un pin de sincronización que permite controlar externamente la frecuencia de conmutación. El suministro de estos dos controles de frecuencia permite a los diseñadores seleccionar el valor óptimo para cada aplicación específica y sincronizar el funcionamiento de varios controladores NCP1034. El dispositivo también incluye un bloqueo de subtensión programable por el usuario y una protección de límite de corriente de hipo. Para diseños de baja tensión, se puede utilizar una tensión de referencia de 1.25 voltios recortada internamente para una regulación más precisa de la tensión de salida.

Se incluyen cuatro circuitos de bloqueo por subtensión para proteger tanto el dispositivo como el sistema. Tres están dedicados a funciones específicas; dos protegen los controladores externos del lado alto y del lado bajo, y uno protege al CI de arrancar prematuramente antes de que VCC esté por debajo de un umbral establecido. El cuarto circuito de bloqueo por subtensión puede ser programado por el diseñador mediante un divisor de resistencias externo: mientras VCC esté por debajo del valor umbral establecido por el usuario, el controlador permanece apagado.

Para ayudar a los diseñadores a empezar a utilizar el NCP1034, ON Semiconductor ofrece la placa de evaluación NCP1034BCK5VGEVB (Figura 8). Esta placa de evaluación fue diseñada con varias opciones para soportar una variedad de necesidades del sistema. Hay un regulador lineal que alimenta el CI, y el diseñador puede elegir si lo hace mediante un diodo Zener o un transistor de alta tensión seleccionando la resistencia adecuada. Los diseñadores también pueden elegir entre una compensación de segundo tipo (modo de tensión) o de tercer tipo (modo de corriente), condensadores de salida cerámicos o electrolíticos seleccionables y varios valores de capacitancia de entrada. Hay dos pines de cabecera: uno para facilitar la conexión a una fuente de pulsos de sincronización externa para permitir que la placa se conecte directamente a la otra placa de demostración NCP1034; el otro para conectarse al pin SS/SD que se puede utilizar para apagar el controlador conectándolo a tierra.

Figura 8: La placa de evaluación NCP1034BCK5VGEVB incluye múltiples opciones para ayudar a los diseñadores a iniciar rápidamente nuevos diseños. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Conclusión:

La necesidad de reducir los altos voltajes de los buses a voltajes más bajos para alimentar los circuitos integrados y otras cargas es cada vez más necesaria en una variedad de sistemas que incluyen la automoción, la automatización industrial, las telecomunicaciones, la informática, los electrodomésticos y la electrónica de consumo.

Como se ha demostrado, los diseñadores pueden recurrir a los convertidores de potencia buck síncronos para llevar a cabo esta conversión descendente con la máxima eficiencia, la mínima carga térmica, a bajo coste y con el menor tamaño de solución posible.

Lecturas recomendadas

1. Los convertidores reductores asíncronos ofrecen una mayor eficiencia con cargas más ligeras
2. Generar varias salidas a partir de un único convertidor reductor síncrono es sencillo