Manejo de oscilaciones de voltaje en diseños IIoT

La electrónica para muchos sistemas de control industrial se ha construido tradicionalmente en gabinetes que utilizan el sistema de montaje en riel DIN para facilitar el diseño, la integración y el mantenimiento. Existe una amplia variedad de fuentes de alimentación, gabinetes y otros productos estándar que se adaptan al formato del riel DIN. Esta disponibilidad reduce el tiempo que toma seleccionar, calificar y construir el sistema final.

La tendencia hacia el Internet industrial de las cosas (IIoT) requiere mayores niveles de control distribuido. La inteligencia se transferirá a los procesadores que, por cuestiones de capacidad de respuesta y flexibilidad, se pueden montar muy cerca de los sensores y los actuadores reales. Los procesadores se comunican a través de una combinación de redes con cable e inalámbricas, lo que reduce la necesidad de procesadores de cooperación para coexistir dentro de un solo gabinete, donde anteriormente hubieran compartido datos tradicionalmente a través de una placa CI o un bus de panel de fondo.

Aunque el sistema objetivo puede estar diseñado para adaptarse a un riel DIN para facilitar el montaje, cada unidad será mucho más pequeña y requerirá una fuente de alimentación individual más que un riel de alimentación compartido dentro de un gabinete más grande. Como proporciona un nivel de voltaje seguro para muchos entornos y retiene la compatibilidad con los entornos existentes, 24 V_CC probablemente permanezca en uso común como un riel que alimenta controladores electrónicos en equipos discretos y alojados en gabinetes.

La naturaleza del entorno industrial significa que las fuentes de alimentación de los controladores todavía tendrán que hacer frente a las largas variaciones en los rangos de voltaje de entrada debido a los voltajes inducidos y el ruido causado por los equipos cercanos o cargas pesadas a intervalos con grandes elementos inductivos y capacitivos. Lo que se requiere es una fuente de alimentación que sea compacta y capaz de entregar energía confiable durante las fluctuaciones en el voltaje de entrada y durante grandes cambios en el consumo de carga. Muchos controladores electrónicos perderán potencia en modo de reposo cuando no están activos para conservar energía. La fuente de alimentación también necesita ser capaz de reaccionar a esas situaciones de manera eficiente.

Un regulador como el LM43603 fabricado por Texas Instruments o el LTM8025 de Linear Technology proporciona la capacidad de cambiar entre el modo de conducción continua (CCM) y el modo de conducción discontinua (DCM) para atender a los cambios en el consumo de energía y para soportar los cambios en el voltaje de entrada. Con CCM, la corriente en el inductor, que se utiliza para ayudar a suavizar la entrega de corriente a la carga, siempre se mantiene sobre cero durante cualquier parte del ciclo de cambio. Con DCM, se permite que la corriente en el inductor caiga a cero. La cantidad de corriente entregada al inductor por un par de interruptores con transistor de efecto de campo (FET) en el convertidor durante un ciclo se determina mediante modulación por ancho de pulsos (PWM).

Figura 1: Corriente de inductor en modo de conducción continua para un regulador con modo de conmutación controlado por modulación por ancho de pulsos.

En cada ciclo, el convertidor suministra un voltaje de salida regulado al encender primero el interruptor con transistor de efecto de campo de nivel alto por una cierta cantidad de tiempo. Durante este tiempo de funcionamiento, el voltaje de salida oscila hacia el voltaje de entrada y la corriente que fluye en el inductor comienza a aumentar con una pendiente lineal según la fórmula (Vent - Vsal)/L.

Cuando la lógica de control decide apagar el interruptor de nivel alto para regular el voltaje y evitar que continúe ascendiendo hacia el nivel de entrada, el interruptor de nivel bajo se mantiene alejado para evitar la protección contra disparo por un breve período y luego se permite encenderlo. La corriente del inductor luego comienza a caer con una pendiente de -Vsal/L.

El controlador con modulación por ancho de pulsos dentro del convertidor toma muestras del voltaje de salida y las compara con un voltaje de referencia para generar una señal de error que se utiliza para calcular el ciclo de trabajo o útil para las dos fases. En un diseño de convertidor ideal, el ciclo de trabajo o útil es proporcional al voltaje de salida. Un amplificador de error asegura que el convertidor CC/CC ajuste el ciclo de trabajo o útil para preservar un voltaje de salida regulado.

La señal de error generada por el amplificador generalmente será muy cercana al cero en cualquier punto en el tiempo, mientras que los cambios en la demanda de voltaje de entrada y salida generalmente serán más lentos que la frecuencia de conmutación del controlador de fuente de alimentación. La funcionalidad de adaptación que proporciona la modulación por ancho de pulsos permite que la estrategia compense las oscilaciones en el riel de entrada sin afectar la alimentación de energía hacia la carga.

El uso de conmutación de frecuencia alta permite que el LM43603 funcione desde un voltaje de alimentación que varía de 3,5 V a 36 V_CC y es capaz de entregar una corriente de carga de hasta 3 A_CC con alta eficiencia y buen rendimiento térmico en una solución de tamaño pequeño. La frecuencia de conmutación es programable de 200 kHz a 2,2 MHz a través del uso de un resistor programable conectado a la señal RT que se alimenta al módulo de oscilador dentro del controlador LM43603. Su frecuencia estándar sin el uso de un resistor externo es 500 kHz. El LTM8025 funciona sobre un rango de frecuencia de 200 kHz a 2,4 MHz y está programado de manera similar mediante un resistor con un terminal conectado a la clavija RT y el otro a tierra.

Figura 2: Diagrama de bloque del LM43603.

Bajo cargas livianas, la eficiencia de la regulación en CCM controlada por modulación por ancho de pulsos disminuye de manera significativa. El DCM proporciona la capacidad de mejorar la eficiencia al desconectar la carga de la entrada por períodos de tiempo más largos, durante los cuales se permite que la corriente en el inductor caiga a cero. Los capacitores de salida ayudan a minimizar los efectos de la ondulación de este modo.

En el caso del LM43603, el convertidor pasará a DCM cuando la corriente de carga sea menor que la mitad que la ondulación de corriente en el inductor pico a pico en CCM. Las pérdidas de conmutación se reducen al colocar el transistor de efecto de campo de nivel alto en corriente cero. Durante el DCM, la frecuencia de conmutación se reduce. El convertidor enciende el transistor de efecto de campo de nivel alto cuando el voltaje de salida del que se toma una muestra cae por debajo de un valor aceptable.

Los dispositivos como el LM43603 y el LTM8025 ofrecen un funcionamiento estable con la mayoría de las formas de capacitores en la entrada y la salida. Debido a su tamaño compacto, frecuentemente se prefieren los capacitores de cerámica, ya que los requisitos de capacitancia por lo general son inferiores a 100 µF para el funcionamiento de alta frecuencia y los voltajes de circuito habituales de señal mixta de 3 a12 V_CC. Los capacitores de cerámica son pequeños, sólidos y tienen resistencia equivalente en serie (ESR) muy baja. Sin embargo, no todos los capacitores son apropiados. Los tipos X5R y X7R se mantienen estables a pesar de la temperatura y el voltaje aplicados pero, por el contrario, los Y5V y Z5U tienen coeficientes de temperatura y voltaje de capacitancia muy grandes. Cuando están en uso, pueden exhibir solo una pequeña fracción de su capacitancia nominal, lo cual genera una ondulación de voltaje de salida mucho mayor que la esperada.

Figura 3: Diagrama de bloque del LTM8025.

Los capacitores de cerámica también son piezoeléctricos. En DCM o modo ráfaga, la frecuencia de conmutación dependerá de la corriente de carga, y puede excitar un capacitor de cerámica en el rango de frecuencia de audio, lo que genera ruido audible. Como las corrientes generadas en las condiciones de DCM son menores, el ruido generalmente es bajo; pero si el ruido audible es inaceptable, un capacitor electrolítico de alto rendimiento puede ser más apropiado. Alternativamente, se puede utilizar la combinación en paralelo de un capacitor de cerámica y un capacitor electrolítico de bajo costo.

La capacidad de arranque suave es otra consideración importante. El LM43603, por ejemplo, tiene una clavija de control de arranque suave: SS/TRK. El uso de la clavija impulsa al regulador, una vez que se aplicó un voltaje de entrada, para aumentar lentamente el voltaje de salida durante un período de tiempo. Si se deja flotando la clavija SS/TRK, el LM43603 utilizará su propio controlador de período de desnivel para permitir que el voltaje de salida aumente hasta la salida completa en poco más de 4 milisegundos.

Para las aplicaciones que emplean una gran cantidad de capacitancia de salida o para los sistemas que utilizan voltajes de salida relativamente altos, el tiempo de arranque se puede extender al conectar un capacitor externo entre la clavija SS/TRK y la clavija de referencia a tierra analógica (AGND) del dispositivo. El valor de capacitancia determina el período de desnivel. Alternativamente, el controlador de arranque suave puede rastrear una señal de aumento externa mediante un par divisor de resistor y una fuente de voltaje externa que describa el perfil de desnivel deseado.

El control sobre el arranque suave para el LTM8025 se realiza utilizando un capacitor conectado a la clavija RUN/SS y a tierra a la vez con una conexión a una fuente de voltaje externa a través de un resistor. La constante de tiempo de RC determina la sincronización del arranque suave.

Figura 4: Conexiones para una señal de desnivel externa para el arranque suave de LM43603.

Figura 5: Conexiones para generar un desnivel de arranque suave para el LTM8025.

Como los controladores de Internet industrial de las cosas (IIoT) necesitan caber en un espacio pequeño e integrarse con el equipo industrial, la compatibilidad electromagnética (EMC) es una consideración importante. La clave para asegurar que cualquier interferencia electromagnética (EMI) generada por un regulador de alimentación con modo de conmutación es mantener los bucles de di/dt lo más cortos posible. Esto se habilita en gran medida a través de los altos niveles de integración ofrecida por dispositivos como el LM43603 y el LTM8025.

Figura 6: El bucle clave de di/dt para un convertidor reductor con modo de conmutación.

Sin embargo, se debe tener especial precaución al colocar los dispositivos externos, particularmente los nodos de retroalimentación. Las trazas a los resistores externos y los capacitores de derivación se deben mantener lo más cortas posible. Cualquier traza de placa CI larga que se dirige a los resistores puede hacer que se genere interferencia electromagnética excesiva. La protección también es importante y esto se puede lograr en gran medida utilizando planos a tierra dentro de la placa CI. 

A través del uso de reguladores de alta integración, tales como el LM43603 y el LTM8025, los diseñadores de controladores industriales orientados al Internet industrial de las cosas pueden asegurarse de entregar energía CC de manera fiable y con confianza en la compatibilidad electromagnética del producto final.

Figura 7: Recomendaciones de diseño de baja compatibilidad electromagnética para el LM43603.