- Tipos de reguladores de conmutación
- Factores a considerar al seleccionar un regulador de conmutación
La energía es una parte importante de cualquier proyecto / dispositivo electrónico. Independientemente de la fuente, generalmente existe la necesidad de realizar tareas de administración de energía como transformación / escalado de voltaje y conversión (AC-DC / DC-DC) entre otras. Elegir la solución adecuada para cada una de estas tareas puede ser clave para el éxito (o el fracaso) del producto. Una de las tareas de administración de energía más comunes en casi todos los tipos de dispositivos es la regulación / escalado de voltaje CC-CC.. Esto implica cambiar el valor de voltaje de CC en la entrada a un valor mayor o menor en la salida. Los componentes / módulos utilizados para lograr estas tareas se denominan generalmente reguladores de voltaje. Por lo general, tienen la capacidad de suministrar un voltaje de salida constante que es más alto o más bajo que el voltaje de entrada y se usan comúnmente para suministrar energía a componentes en diseños en los que tiene secciones con diferentes voltajes. También se utilizan en fuentes de alimentación tradicionales.
Hay dos tipos principales de reguladores de voltaje;
- Reguladores lineales
- Reguladores de conmutación
Los reguladores de voltaje lineal suelen ser reguladores reductores y utilizan el control de impedancia para crear una reducción lineal del voltaje de entrada en la salida. Suelen ser muy baratos pero ineficientes ya que se pierde mucha energía en calor durante la regulación. Los reguladores de conmutación, por otro lado, son capaces de aumentar o disminuir el voltaje aplicado en la entrada según la arquitectura. Logran la regulación de voltaje mediante un proceso de encendido / apagado de un transistor que controla el voltaje disponible en la salida del regulador. En comparación con los reguladores lineales, los reguladores de conmutación suelen ser más caros y mucho más eficientes.
En el artículo de hoy, nos centraremos en los reguladores de conmutación y, como se desprende del título, analizaremos los factores a considerar al seleccionar un regulador de conmutación para un proyecto.
Debido a la complejidad de otras partes del proyecto (las funcionalidades centrales, RF, etc.), la elección de reguladores para el suministro de energía suele ser una de las acciones que quedan hasta el final del proceso de diseño. El artículo de hoy intentará brindarle al diseñador de tiempo limitado, consejos sobre qué buscar en las especificaciones de un regulador de conmutación, para determinar si se ajusta a su caso de uso particular. También se proporcionarán detalles sobre la interpretación de las diferentes formas en que los diferentes fabricantes presentan información sobre parámetros como temperatura, carga, etc.
Tipos de reguladores de conmutación
Básicamente, existen tres tipos de reguladores de conmutación y los factores a tener en cuenta dependen de cuál de los tipos se utilizará para su aplicación. Los tres tipos son;
- Reguladores Buck
- Impulsar reguladores
- Reguladores Buck Boost
1. Reguladores Buck
Los reguladores reductores, también llamados reguladores reductores o convertidores reductores son posiblemente los reguladores de conmutación más populares. Tienen la capacidad de reducir el voltaje aplicado en la entrada a un voltaje menor en la salida. Por lo tanto, su voltaje de entrada nominal suele ser mayor que su voltaje de salida nominal. A continuación se muestra un esquema básico para un convertidor reductor.
La salida del regulador se debe al encendido y apagado del transistor y el valor del voltaje suele ser una función del ciclo de trabajo del transistor (cuánto tiempo estuvo encendido el transistor en cada ciclo completo). El voltaje de salida viene dado por la siguiente ecuación de la cual podemos inferir que el ciclo de trabajo nunca puede ser igual a uno y, por lo tanto, el voltaje de salida siempre será menor que el voltaje de entrada. Por lo tanto, los reguladores reductores se utilizan cuando se requiere una reducción en el voltaje de suministro entre una etapa de un diseño y la otra. Puede obtener más información sobre los conceptos básicos del diseño y la eficiencia del regulador reductor aquí, además de aprender a construir un circuito convertidor reductor.
2. Impulsar los reguladores
Los reguladores de impulso o los convertidores de impulso operan de manera directamente opuesta a los reguladores reductores. Entregan un voltaje más alto que el voltaje de entrada, en su salida. Al igual que los reguladores reductores, utilizan la acción del transistor de conmutación para aumentar el voltaje en la salida y, por lo general, están formados por los mismos componentes utilizados en los reguladores reductores, con la única diferencia de la disposición de los componentes. A continuación se muestra un esquema simple para el regulador de refuerzo.
Puede obtener más información sobre los conceptos básicos de diseño y la eficiencia del regulador Boost aquí, puede construir un convertidor Boost siguiendo este Circuito convertidor Boost.
3. Reguladores Buck-Boost
Por último, pero no menos importante, están los reguladores de impulso. Por su nombre, es fácil inferir que proporcionan tanto el efecto de impulso como el efecto reductor del voltaje de entrada. El convertidor reductor-elevador produce un voltaje de salida invertido (negativo) que puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada según el ciclo de trabajo. El circuito básico de la fuente de alimentación del modo de conmutación reductor-reforzador se muestra a continuación.
El convertidor reductor-elevador es una variación del circuito del convertidor elevador en el que el convertidor inversor solo entrega la energía almacenada por el inductor, L1, a la carga.
La selección de cualquiera de estos tres tipos de reguladores de conmutación depende únicamente de lo que requiera el sistema que se está diseñando. Independientemente del tipo de regulador que se utilice, es importante asegurarse de que las especificaciones de los reguladores cumplan con los requisitos del diseño.
Factores a considerar al seleccionar un regulador de conmutación
El diseño de un regulador de conmutación depende en gran medida del CI de potencia utilizado, por lo que la mayoría de los factores a considerar serán las especificaciones del CI de potencia utilizado. Es importante comprender las especificaciones de Power IC y lo que significan para asegurarse de seleccionar la correcta para su aplicación.
Independientemente de su aplicación, realizar una verificación de los siguientes factores le ayudará a reducir el tiempo dedicado a la selección.
1. Rango de voltaje de entrada
Esto se refiere al rango tolerable de voltajes de entrada admitidos por el IC. Por lo general, se especifica en la hoja de datos y, como diseñador, es importante asegurarse de que el voltaje de entrada para su aplicación esté dentro del rango de voltaje de entrada especificado para el IC. Si bien algunas hojas de datos solo pueden especificar el voltaje de entrada máximo, es mejor verificar la hoja de datos para asegurarse de que no se mencione el rango de entrada mínimo antes de hacer suposiciones. Cuando se aplican voltajes más altos que el voltaje de entrada máximo, los circuitos integrados generalmente se estropean, pero generalmente dejan de funcionar o funcionan de manera anormal cuando se aplican voltajes más bajos que el voltaje de entrada mínimo, todo dependiendo de las medidas de protección implementadas. Una de las medidas de protección que generalmente se aplican para evitar daños a los circuitos integrados cuando se suministran voltajes fuera de rango en la entrada es el bloqueo de bajo voltaje (UVLO),comprobar si está disponible también puede ayudarle en sus decisiones de diseño.
2. Rango de voltaje de salida
Los reguladores de conmutación suelen tener salidas variables. El rango de voltaje de salida representa el rango de voltajes a los que se puede configurar el voltaje de salida requerido. En los circuitos integrados sin opción de salida variable, este suele ser un valor único. Es importante asegurarse de que el voltaje de salida requerido esté dentro del rango especificado para el IC y con un buen factor de seguridad como diferencia entre el rango de voltaje de salida máximo y el voltaje de salida que necesita. como regla general, la tensión de salida mínima no puede ajustarse a un nivel de tensión inferior a la tensión de referencia interna. Dependiendo de su aplicación (buck o boost), el rango de salida mínimo puede ser mayor que el voltaje de entrada (boost) o mucho menor que el voltaje de entrada (buck).
3. Corriente de salida
Este término se refiere a la calificación actual para la que se diseñó el IC. Esencialmente es una indicación de cuánta corriente puede suministrar el CI en su salida. Para algunos circuitos integrados, solo se especifica la corriente de salida máxima como una medida de seguridad y para ayudar al diseñador a garantizar que el regulador pueda suministrar la corriente requerida para la aplicación. Para otros circuitos integrados, se proporcionan las clasificaciones mínimas y máximas. Esto podría resultar muy útil para planificar técnicas de administración de energía para su aplicación.
Al seleccionar un regulador basado en la corriente de salida del IC, es importante asegurarse de que exista un margen de seguridad entre la corriente máxima requerida por su aplicación y la corriente de salida máxima del regulador. Es importante asegurarse de que la corriente de salida máxima del regulador sea más alta que la corriente de salida requerida en al menos un 10 a 20%, ya que el IC puede generar una gran cantidad de calor cuando funciona a niveles máximos continuamente y podría dañarse por el calor. Además, la eficiencia del IC se reduce cuando funciona al máximo.
4. Rango de temperatura de funcionamiento
Este término se refiere al rango de temperatura dentro del cual el regulador funciona correctamente. Se define en términos de temperatura ambiente (Ta) o temperatura de unión (Tj). La temperatura TJ se refiere a la temperatura de funcionamiento más alta del transistor, mientras que la temperatura ambiente se refiere a la temperatura del entorno alrededor del dispositivo.
Si el rango de temperatura de funcionamiento se define en términos de temperatura ambiente, no significa necesariamente que el regulador se pueda utilizar en todo el rango de temperatura. Es importante tener en cuenta el factor de seguridad y también la corriente de carga planificada y el calor que la acompaña, ya que la combinación de esto y la temperatura ambiente es lo que constituye la temperatura de unión que tampoco debe excederse. Mantenerse dentro del rango de temperatura de funcionamiento es fundamental para el funcionamiento continuo y adecuado del regulador, ya que el calor excesivo podría provocar un funcionamiento anormal y una falla catastrófica del regulador.Por tanto, es importante prestar atención al calor ambiental en el entorno en el que se utilizará el dispositivo y también determinar la posible cantidad de calor que generará el dispositivo como resultado de la corriente de carga antes de determinar si el rango de temperatura de funcionamiento especificado del regulador funciona para usted. Es importante tener en cuenta que ciertos reguladores también podrían fallar en condiciones extremadamente frías y vale la pena prestar atención a los valores mínimos de temperatura si la aplicación se implementará en un ambiente frío.
5. Frecuencia de conmutación
La frecuencia de conmutación se refiere a la velocidad a la que se enciende y apaga el transistor de control en un regulador de conmutación. En los reguladores basados en modulación de ancho de pulso, la frecuencia generalmente es fija mientras se encuentra en modulación de frecuencia de pulso.
La frecuencia de conmutación afecta los parámetros del regulador como la ondulación, la corriente de salida, la eficiencia máxima y la velocidad de respuesta. El diseño de la frecuencia de conmutación siempre implica el uso de valores de inductancia coincidentes, de modo que el rendimiento de dos reguladores similares con diferente frecuencia de conmutación será diferente. Si se consideran dos reguladores similares a diferentes frecuencias, se descubrirá que, por ejemplo, la corriente máxima será baja para el regulador que opera a una frecuencia más baja en comparación con la del regulador a alta frecuencia. Además, los parámetros como el rizado serán altos y la velocidad de respuesta del regulador será baja a baja frecuencia, mientras que el rizado será bajo y la velocidad de respuesta, alta a alta frecuencia.
6. Ruido
La acción de conmutación asociada con los reguladores de conmutación genera ruido y armónicos relacionados que podrían afectar el rendimiento del sistema en general, especialmente en sistemas con componentes de RF y señales de audio. Si bien el ruido se puede reducir mediante un filtro, etc., realmente puede reducir la relación señal / ruido (SNR) en circuitos que son sensibles al ruido. Por lo tanto, es importante asegurarse de que la cantidad de ruido generado por el regulador no afecte el rendimiento general del sistema.
7. Eficiencia
La eficiencia es un factor importante a considerar en el diseño de cualquier solución de energía hoy. Es esencialmente la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada. Teóricamente, la eficiencia de un regulador de conmutación es del cien por cien, pero esto no suele ser cierto en la práctica, ya que la resistencia del interruptor FET, la caída de voltaje del diodo y la ESR tanto del inductor como del capacitor de salida reducen la eficiencia general del regulador. Si bien la mayoría de los reguladores modernos ofrecen estabilidad en un amplio rango de operación, la eficiencia varía con el uso y, por ejemplo, se reduce en gran medida a medida que aumenta la corriente extraída de la salida.
8. Regulación de carga
La regulación de carga es una medida de la capacidad de un regulador de voltaje para mantener un voltaje constante en la salida independientemente de los cambios en el requisito de carga.
9. Embalaje y tamaño
Uno de los objetivos habituales durante el diseño de cualquier solución de hardware en estos días es reducir el tamaño tanto como sea posible. Esto incluye esencialmente reducir el tamaño del componente electrónico y reducir invariablemente el número de componentes que componen cada sección del dispositivo. Un sistema de energía de tamaño pequeño no solo ayuda a reducir el tamaño total del proyecto, sino que también ayuda a crear espacio en el que se pueden incluir características adicionales del producto. Dependiendo de los objetivos de su proyecto, asegúrese del factor de forma / tamaño del paquete que elija. encajará en su presupuesto de espacio. Al realizar selecciones basadas en este factor, también es importante tener en cuenta el tamaño de los componentes periféricos que requiere el regulador para funcionar. Por ejemplo, el uso de circuitos integrados de alta frecuencia permite el uso de condensadores de salida con baja capacitancia e inductores, lo que resulta en un tamaño de componente reducido y viceversa.
Identificar todo esto y compararlo con los requisitos de diseño lo ayudará a determinar rápidamente qué regulador debe cruzarse y cuál debe figurar en su diseño.
Comparta qué factor cree que me perdí y cualquier otro comentario a través de la sección de comentarios.
Hasta la próxima.