La mejora de la eficiencia automática mantiene la eficiencia del convertidor reductor alta con voltajes de salida más bajos.

Tradicionalmente, como el voltaje de salida se configuraba para valores inferiores en los convertidores de CC/CC reductores, la eficiencia de conversión de energía de ese convertidor también bajaba. Por ejemplo, un convertidor CC/CC reductor con entrada de 12 V a salida de 3.3 V puede ofrecer una eficiencia superior al 90 por ciento con carga completa. Este mismo convertidor con características de entrada similares puede ofrecer menos del 84 por ciento de eficiencia con carga completa cuando se configura el voltaje de salida en 1.8 V. Su rendimiento continúa deteriorándose a medida que el voltaje de salida cae aún más para los mismos parámetros de entrada. El resultado es más disipación de potencia dentro del paquete debido a las mayores pérdidas, por lo que se propician las temperaturas más elevadas debido al calor generado por la potencia disipada. Esto no deseable, especialmente en productos a batería como computadoras portátiles, tabletas y unidades de estado sólido (SSD) donde las temperaturas de funcionamiento superiores pueden interferir con el rendimiento del producto.

Para abordar el problema, los ingenieros de Texas Instruments han desarrollado un método de conversión de energía nuevo denominado mejora de la eficiencia automática o AEE. Esta técnica patentada permite que el convertidor reductor de CC/CC mantenga una alta eficiencia, incluso cuando el voltaje de salida está configurado para valores inferiores. En otras palabras, la eficiencia de la conversión de energía permanece alta, independientemente del voltaje de salida configurado.

Disminución de la eficiencia

Sin embargo, antes de hablar sobre la AEE, hay que analizar qué produce esta disminución. El ingeniero de aplicaciones de TI, Chris Glaser, explica esta disminución de la eficiencia en su artículo titulado "La AEE aumenta la eficiencia en los convertidores reductores con voltaje de salida bajo"¹. Según Glaser, los convertidores reductores con disminución de la eficiencia para los voltajes de salida inferiores configurados están relacionados directamente con la potencia de salida reducida sin una reducción correspondiente en la pérdida de potencia.

Generalmente, con una fuente de alimentación de modo conmutado, las pérdidas que se producen son las de conmutación y las de conducción. Es bien sabido que las pérdidas de conmutación dependen del voltaje de entrada, de la corriente de salida y de la frecuencia de conmutación, mientras que las pérdidas de conducción están determinadas por la corriente de salida y por las resistencias MOSFET. Como resultado, el voltaje de salida no contribuye a la pérdida total del convertidor; pero la potencia de salida, que es el producto del voltaje de salida y de la corriente de salida, sin duda disminuye a medida que el voltaje de salida cae mientras se mantiene el mismo voltaje de entrada. Con la misma pérdida de potencia, la eficiencia obviamente caerá cuando el convertidor se configure para voltajes de salida inferiores porque eficiencia = (potencia de salida)/(potencia de salida + pérdidas).

Ahora, según el artículo de TI, las pérdidas de conmutación se pueden disminuir al reducir la frecuencia de conmutación a medida que se configura el convertidor para los voltajes inferiores para mejorar la eficiencia. Sin embargo, eso equivale a rediseñar el filtro de salida y el circuito de compensación en bucle. "Se requiere de más esfuerzo de diseño y de tiempo, y probablemente de diferentes componentes para diferentes circuitos de voltaje de salida en el sistema, lo que probablemente podría aumentar el costo de los materiales (BOM)", explica Glaser.

Adaptación dinámica de la frecuencia de conmutación

El dilema de la frecuencia de conmutación se resuelve con la AEE. Según TI, la AEE ajusta automáticamente la frecuencia de conmutación para mejorar la eficiencia de conversión sin molestar al filtro de salida ni al circuito de compensación en bucle. Según Glaser, de acuerdo con los voltajes de entrada y de salida, la frecuencia de conmutación se ajusta automáticamente para mejorar la eficiencia, mientras mantiene la estabilidad del bucle de control y el filtro de salida.

En resumen, para mantener una alta eficiencia durante todo el rango del ciclo de trabajo (V_OUT/V_IN), la AEE se asegura de ajustar la frecuencia de conmutación mientras mantiene la corriente de ondulación del inductor en un valor bajo. La referencia 1 muestra la relación entre la corriente de ondulación del inductor (ΔI_L), la frecuencia de conmutación (F_SW) y el ciclo de trabajo (D = V_OUT/V_IN)) de la siguiente manera:

En consecuencia, según la ecuación 1, la AEE asegura que la variación de la corriente de ondulación del inductor sea mínima para los voltajes de salida variables con un voltaje de entrada determinado. Esto se logra al disminuir la frecuencia de conmutación cuando el voltaje de salida se configura en un valor inferior.

El convertidor reductor de fase dual de TI TPS62180/TPS62182 incorpora la AEE para ofrecer un alto rendimiento a través de un rango de salida ajustable de 0.9 V a 6 V con una corriente de salida de hasta 6 A y con un rango de entrada de voltaje de 4 V a 15 V. La figura 1 muestra el diagrama de bloques funcional del TPS62180 con la AEE y el voltaje de salida ajustable. A diferencia del TPS62180, el TPS62182 es una opción de convertidor reductor de salida fija con AEE y con un voltaje de salida fijo de 3.3 V.

Figura 1: TPS62180 incorpora un método de mejora de la eficiencia automática para mantener alta la eficiencia del convertidor CC/CC reductor mientras se configuran los voltajes de salida inferiores. (Cortesía de Texas Instruments)

Para ilustrar cómo funciona la AEE, TI ha proporcionado algunos resultados medidos utilizando el TPS62180. La figura 2, por ejemplo, demuestra el ajuste de la frecuencia de conmutación de TPS62180 a medida que la configuración del voltaje de salida va de 3.3 V a 0.9 V para un voltaje de entrada dado. Del mismo modo, la frecuencia de conmutación también cambia con el cambio de voltaje de entrada.

Figura 2: para mantener la eficiencia alta, el convertidor reductor de CC/CC de fase dual TPS62180 utiliza la mejora automática de la eficiencia para adaptar la frecuencia de conmutación de acuerdo con los voltajes de entrada y de salida. (Cortesía de Texas Instruments)

Del mismo modo, para demostrar el impacto de la AEE en el rendimiento de la eficiencia del TPS62180, el proveedor también ha medido la eficiencia para los diferentes voltajes de salida con voltajes de entrada variables. El rendimiento de la eficiencia medida en comparación con el voltaje de entrada para dos voltajes de salida diferentes (3.3 V y 1.8 V) se muestra en las Figuras 3 y 4. Si analizamos las figuras con atención, podremos observar que con la AEE, la eficiencia para la salida baja de 1.8 V es aproximadamente del 88 por ciento a plena carga con una entrada de 12 V. Con la misma entrada y con una salida de 3.3 V, la eficiencia es de alrededor del 92 por ciento, lo que indica que la brecha de eficiencia entre las dos salidas es mucho más estrecha con la AEE. Según TI, esta brecha habría sido mucho más grande sin la AEE.

Figura 3: la eficiencia en comparación con el voltaje de entrada para el convertidor reductor de CC/CC de fase dual TPS62180 con la incorporación de la AEE. El voltaje de salida del convertidor es de 3.3 V (Cortesía de Texas Instruments).

Figura 4: la eficiencia en comparación con el voltaje de entrada para el convertidor reductor de CC/CC de fase dual TPS62180 con la incorporación de la AEE. El voltaje de salida para el convertidor es 1.8 V

AEE está ayudando a los convertidores reductores como TPS62180 a ofrecer una eficiencia mayor de conversión de energía a medida que se configuran voltajes de salida inferiores para un convertidor dado en comparación con las topologías de frecuencia fija.

Para obtener más información sobre los productos mencionados en este artículo, utilice los enlaces proporcionados para acceder a las páginas de productos en el sitio web de DigiKey.

Referencias

1. "AEE aumenta la eficiencia en los convertidores reductores con voltaje de salida bajo" ("AEE Boosts Efficiency for Lower-Output-Voltage Step-Down Converters") de Chris Glaser, Ingeniero de aplicaciones, Texas Instruments Inc.