Los rectificadores sincrónicos mejoran la eficiencia de la fuente de alimentación, si se controlan de manera efectiva

No es ningún secreto que los dispositivos electrónicos modernos con procesadores más rápidos, más memoria y mayor ancho de banda requieren más energía. Al mismo tiempo, las demandas del mercado exigen fuentes de alimentación más pequeñas. El suministro de niveles de potencia más altos en paquetes más pequeños requiere un aumento en la eficiencia energética. Este aumento en la eficiencia exige una reducción de las pérdidas en el suministro eléctrico, lo que se traduce en un replanteamiento de su diseño básico.

Echemos un vistazo a dónde ocurren las pérdidas y qué podemos hacer al respecto. Usaremos una fuente de alimentación flyback como ejemplo (Figura 1). El convertidor flyback enciende y apaga un transistor de efecto campo (FET).

Figura 1: Una fuente de alimentación flyback básica enciende y apaga un FET. Se muestran sus formas de onda de corriente y voltaje asociadas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Durante el tiempo que el FET está encendido, la corriente (I_P) fluye en el primer inductor acoplado. Esto construye el campo magnético en el inductor. Cuando el FET está apagado, la corriente secundaria (I_O), debido al campo colapsante en el inductor, fluye en el secundario, a través del diodo, hacia el filtro de salida y la carga. Las pérdidas se presentan en la forma de las que se encuentran en el inductor acoplado, la conmutación dinámica y las pérdidas de conducción en el FET y el diodo de salida, así como la potencia perdida en el circuito de sujeción. Todas estas pérdidas deben evaluarse, pero en esta publicación nos centraremos en las pérdidas de conducción en el diodo de salida.

Cuando el diodo de salida conduce, presenta una caída de voltaje directo (V_F) que varía con el nivel actual y la temperatura (Figura 2).

Figura 2: La caída de voltaje directo de un diodo Schottky típico varía con la temperatura y la corriente. (Fuente de imagen: Diodes Incorporated).

La caída de voltaje directo en este diodo aumenta al incrementar la corriente y disminuye al incrementar la temperatura. Para una corriente directa de 10 amperios (A) a 25 °C, la caída de voltaje directo es de aproximadamente 420 milivoltios (mV), lo que significa que el diodo está disipando 4.2 vatios. Una forma de evitar esta pérdida es reemplazar el diodo con un FET que se enciende en los momentos apropiados durante el ciclo de conmutación de la fuente de alimentación. Este es un rectificador sincrónico (SR), a veces llamado rectificador activo. Cuando el FET está encendido, su impedancia directa es principalmente la resistencia (R_{DS (ENCENDIDA)}) del canal FET. El CSD18532KCS de Texas Instruments es un FET de canal N con una R_{DS (ENCENDIDA)} de unos 5 miliohmios (mΩ). Comparando este FET con el diodo, podemos ver las ventajas del enfoque SR (Figura 3).

Figura 3: Una comparación de las caídas de voltaje directo del CSD18532KCS con un diodo Schottky. Los modelos de circuitos equivalentes resaltan las diferencias. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La caída de voltaje directo para el FET a 25 °C es de solo unos 60 mV con una corriente directa de 10 A, en comparación con la caída de 420 mV del diodo. La pérdida de potencia es de 0.6 vatios en comparación con los 4.2 vatios del diodo, lo que supone una reducción bastante significativa de la pérdida de potencia y una mejora en la eficiencia energética de la fuente de alimentación.

Texas Instruments hizo una comparación usando la placa de evaluación de salida aislada de 10 vatios UCC28740EVM-525 de Texas Instruments. Este módulo de evaluación es un módulo de alimentación fuera de línea de 10 vatios que proporciona regulación de salida de voltaje constante y corriente constante. Se basa en un convertidor flyback de modo de conducción discontinua (DCM). En la prueba, midieron la caída de voltaje directo y la corriente usando rectificadores de superbarrera, y con SR usando un MOSFET de canal N CSD19531Q5A de Texas Instruments (Figura 4).

Figura 4: Comparación de las caídas de voltaje directo y las corrientes en la misma fuente de alimentación utilizando diodos y rectificación sincrónica MOSFET. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La diferencia en las caídas de voltaje directo en los rectificadores es fácilmente visible. El voltaje directo del rectificador de diodo funciona con una buena fracción de un voltio, mientras que el SR es mucho más pequeño. Los pequeños pulsos rectangulares al principio y al final de la fase de conducción del SR se deben a la conducción del diodo del cuerpo en el FET. Estos pulsos aumentan las pérdidas por conducción, pero debido a su corta duración, tienen poco efecto sobre la eficiencia de la fuente de alimentación.

La eficiencia de la fuente de alimentación en un rango de corrientes de carga muestra la ventaja del rectificador sincrónico sobre los rectificadores de diodo más convencionales (Figura 5).

Figura 5: La comparación de la eficiencia de la fuente de alimentación en un rango de corrientes de carga y voltajes de fuente muestra una mejora de 2 a 3 % en la eficiencia. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La eficiencia de la rectificación sincrónica es de un 2 a un 3 % mayor que la del rectificador de diodo en una amplia gama de corrientes de carga. La mayor complejidad de la implementación de SR bien puede valer el costo.

Implementación de la rectificación sincrónica

La desventaja del SR es la necesidad de controlar el FET de forma sincrónica a las operaciones de conmutación de la fuente de alimentación. Básicamente, existen dos enfoques para controlar los FET utilizados para el SR. El primer enfoque es el control autónomo. Este método controla el SR usando el voltaje secundario del inductor acoplado ya sea de forma directa o usando un devanado separado. Debido a su simplicidad y bajo número de componentes, este enfoque es muy atractivo. Sin embargo, esta técnica no funciona para todas las topologías de circuitos y depende del proceso de reinicio en el inductor acoplado.

El segundo método es un enfoque basado en el control en el que el SR se controla desde las señales de activación de la compuerta del interruptor principal utilizando un controlador rectificador sincrónico, como el UCC24612-1DBVR de Texas Instruments. Este dispositivo funciona con una amplia gama de topologías flyback, como abrazadera activa, cuasi-resonante (QR), modo de conducción discontinua (DCM), modo de conducción continua (CCM) y conversión flyback LLC resonante. Usa la detección de voltaje V_SD para establecer el intervalo de conducción MOSFET para minimizar la pérdida de conducción. El UCC24612-1DBVR funciona con controladores flyback para implementar más control y otras operaciones de mejora de la eficiencia, como abrazaderas activas y conmutación de cruce de voltaje cero.

Conclusión

Los rectificadores sincrónicos son parte de un conjunto de herramientas de técnicas de mejora de la eficiencia respaldadas por dispositivos de hardware fácilmente disponibles, como el UCC24612-1DBVR, que ofrecen diseños fáciles y rentables para resolver la necesidad de densidades de potencia más altas.