Cómo implementar rápidamente los convertidores Buck para la automatización de fábricas, el 5G y el IoT

Los convertidores Buck CC/CC se utilizan ampliamente en muchos sistemas electrónicos, como las estaciones base 5G, los equipos de automatización de fábricas (FA) y los dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) para convertir eficientemente los altos voltajes. Por ejemplo, un voltaje como 12 voltios de corriente continua (V_CC) o 48 V_CC de una batería o un bus de distribución de energía a menudo necesita ser convertido a un voltaje(s) más bajo(s) para alimentar circuitos integrados digitales, sensores analógicos, secciones de radiofrecuencia (RF) y dispositivos de interfaz.

Si bien los diseñadores pueden implementar un convertidor buck discreto y optimizarlo para un diseño específico en términos de características de rendimiento y diseño de la placa, hay desafíos para tomar este enfoque. Entre ellas, la selección del MOSFET de potencia adecuado, el diseño de la red de retroalimentación y control, el diseño del inductor y la elección entre una topología asíncrona o síncrona. Además, el diseño debe incluir numerosas funciones de protección, ofrecer la máxima eficiencia y un tamaño de solución reducido. Al mismo tiempo, los diseñadores se ven obligados a acortar el tiempo de diseño y a reducir los costes, lo que hace necesario encontrar alternativas de convertidores de potencia más adecuadas.

En lugar de la ruta discreta, los diseñadores pueden recurrir a los circuitos integrados de alimentación que combinan los MOSFET con los circuitos de retroalimentación y control necesarios, ya optimizados para los convertidores buck de alta eficiencia.

Este artículo revisa las compensaciones de rendimiento entre los convertidores buck CC/CC asíncronos y síncronos y cómo se ajustan a las necesidades de aplicaciones específicas. Presenta un ejemplo de CI de convertidor buck asíncrono integrado y una solución de CI de convertidor buck síncrono de ROHM Semiconductor y analiza las consideraciones de implementación, incluida la selección del inductor y el condensador de salida y el diseño de la placa de PC. En el debate se incluyen tablas de evaluación para ayudar a los diseñadores a empezar.

¿Por qué utilizar un convertidor buck?

En aplicaciones que necesitan unos pocos amperios (A) de corriente, un convertidor buck ofrece una alternativa más eficiente que un regulador lineal. Un regulador lineal puede tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, mientras que un convertidor buck asíncrono puede tener un rendimiento superior al 85%.

Un convertidor buck asíncrono básico consta de un interruptor MOSFET, un diodo Schottky, un condensador, un inductor y un circuito controlador/conductor (no mostrado) para encender y apagar el MOSFET (Figura 1). Un convertidor buck toma la tensión de entrada de CC (V_IN) y la convierte en una corriente de CA pulsante que es rectificada por el diodo, que luego es filtrada por el inductor y el condensador para producir una tensión de salida de CC regulada (V_O). Esta topología recibe su nombre del hecho de que el voltaje a través del inductor se opone o "bucks" al voltaje de entrada.

Figura 1: Topología del convertidor buck asíncrono, sin incluir el circuito controlador/conductor MOSFET. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor).

El circuito controlador/conductor detecta la tensión de salida y enciende y apaga periódicamente el MOSFET para mantener la tensión de salida en el nivel deseado. A medida que la carga varía, el controlador/conductor varía la cantidad de tiempo que el MOSFET está en ON para suministrar más o menos corriente a la salida según sea necesario para mantener (regular) la tensión de salida. El porcentaje de tiempo que el MOSFET está en ON durante un ciclo completo de ON/OFF se llama ciclo de trabajo. Por ello, los ciclos de trabajo más elevados admiten mayores corrientes de carga.

Bucks sincrónicos

En las aplicaciones que necesitan eficiencias superiores a las posibles con un buck asíncrono, los diseñadores pueden recurrir a un convertidor buck síncrono en el que el diodo Schottky se sustituye por una rectificación síncrona MOSFET (Figura 2). El MOSFET síncrono (S₂) tiene una resistencia en ON significativamente menor que la resistencia del Schottky, lo que da lugar a menores pérdidas y mayor eficiencia, pero con un coste mayor.

Uno de los retos es que ahora hay dos MOSFET que deben encenderse y apagarse de forma coordinada. Si ambos MOSFET están en ON al mismo tiempo, se crea un cortocircuito que conecta la tensión de entrada directamente a tierra, dañando o destruyendo el convertidor. Evitar que esto ocurra aumenta la complejidad del circuito de control, lo que aumenta el coste y el tiempo de diseño en comparación con un diseño asíncrono.

Este circuito de control en un buck síncrono incorpora un "tiempo muerto" entre las transiciones de conmutación en el que ambos interruptores están en OFF durante un periodo muy breve para evitar la conducción simultánea. Afortunadamente para los diseñadores, existen circuitos integrados de alimentación que integran los MOSFET de potencia y los circuitos de control necesarios para producir convertidores buck.

Figura 2: Topología del convertidor buck síncrono que muestra la sustitución del diodo Schottky por un MOSFET de rectificación síncrona (S₂). (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor).

Circuitos integrados de convertidores buck

Ejemplos de convertidores buck altamente integrados son los dispositivos BD9G500EFJ-LA (asíncrono) y BD9F500QUZ (síncrono) de ROHM, que se presentan en un encapsulado HTSOP-J8 y VMMP16LZ3030, respectivamente (Figura 3). El BD9G500EFJ-LA tiene una tensión soportada de 80 voltios y está pensado para su uso con buses de alimentación de 48 V que se encuentran en estaciones base 5G, servidores y aplicaciones similares. También es adecuado para sistemas con buses de alimentación de 60 V como bicicletas eléctricas, herramientas eléctricas, FA y dispositivos IoT. Puede suministrar hasta 5 A de corriente de salida y tiene una eficiencia de conversión del 85% en su rango de corriente de salida de 2 a 5 A. Las características incorporadas incluyen el arranque suave, la sobretensión, la sobrecorriente, el apagado térmico y la protección de bloqueo por subtensión.

Figura 3: El CI del convertidor buck asíncrono BD9G500EFJ-LA se presenta en un encapsulado HTSOP-J8 y el CI del buck síncrono BD9F500QUZ se presenta en un encapsulado VMMP16LZ3030. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor).

Dado que el circuito integrado de la fuente de alimentación buck síncrona BD9F500QUZ tiene una tensión de ruptura de 39 voltios, los diseñadores de sistemas con buses de alimentación de 24 V pueden utilizarlo para reducir los costes del sistema al disminuir el área de montaje y el número de componentes en los sistemas FA, como los controladores lógicos programables (PLC) y los inversores. El BD9F500QUZ reduce el tamaño de la solución en aproximadamente un 60%, y la frecuencia máxima de conmutación de 2.2 MHz permite el uso de un pequeño inductor de 1.5 microhenrios (μH). Este buck síncrono funciona con un rendimiento de hasta el 90% y una corriente de salida de 3 A.

La combinación de alta eficiencia y embalaje térmicamente eficiente significa que su temperatura de funcionamiento es de alrededor de 60 grados Celsius (°C) sin necesidad de ningún disipador, lo que ahorra espacio, mejora la fiabilidad y reduce los costes. Las características incorporadas incluyen la función de descarga del condensador de salida, la sobretensión, la sobrecorriente, el cortocircuito, el apagado térmico y la protección de bloqueo por subtensión.

Selección del inductor y el condensador

Aunque el BD9G500EFJ-LA y el BD9F500QUZ tienen MOSFET de potencia integrados, los diseñadores todavía tienen que seleccionar el inductor y el condensador de salida óptimos, que están interrelacionados. Por ejemplo, el valor óptimo de la inductancia es importante para obtener los tamaños combinados más pequeños para el inductor y el condensador de salida, así como una ondulación de la tensión de salida suficientemente baja. Los requisitos transitorios también son importantes y varían de un sistema a otro. La amplitud de los transitorios de la carga, las limitaciones de la desviación de la tensión y la impedancia del condensador afectan al rendimiento de los transitorios y a la selección del condensador.

Los diseñadores disponen de varias tecnologías de condensadores, cada una de las cuales ofrece un conjunto diferente de compensaciones de coste y rendimiento. Normalmente, se utilizan condensadores cerámicos multicapa (MLCC) para la capacidad de salida en los convertidores buck, pero algunos diseños pueden beneficiarse del uso de condensadores electrolíticos de aluminio o de condensadores electrolíticos híbridos de polímero conductor.

ROHM ha simplificado el proceso de selección de inductores y condensadores ofreciendo a los diseñadores circuitos completos de ejemplo de aplicación en las hojas de datos de estas fuentes de alimentación, incluyendo:

• Tensión de entrada, tensión de salida, frecuencia de conmutación y corriente de salida
• Esquema del circuito
• Lista de materiales (BOM) sugerida con valores, números de pieza y fabricantes
• Formas de onda de funcionamiento

Tres circuitos de aplicación detallados para el BD9G500EFJ-LA, todos con una frecuencia de conmutación de 200 kilohercios (kHz), incluyen:

• Entrada de 7 a 48 V_CC con una salida de 5.0 V_CC a 5 A
• Entrada de 7 a 36 V_CC con una salida de 3.3 V_CC y 5 A
• Entrada de 18 a 60 V_CC con una salida de 12 V_CC y 5 A

Siete circuitos de aplicación detallados para el BD9F500QUZ incluyen:

• Entrada de 12 a 24 V_CC con una salida de 3.3 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 1 MHz
• Entrada de 12 a 24 V_CC con una salida de 3.3 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 600 kHz
• Entrada de 5 V_CC con una salida de 3.3 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 1 MHz
• Entrada de 5 V_CC con una salida de 3.3 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 600 kHz
• Entrada de 12 V_CC con una salida de 1.0 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 1 MHz
• Entrada de 12 V_CC con una salida de 1,0 V_CC y 5 A, con una frecuencia de conmutación de 600 kHz
• Entrada de 12 V_CC con una salida de 3,3 V_CC y 3 A, con una frecuencia de conmutación de 2.2 MHz

Además, ROHM ofrece a los diseñadores una nota de aplicación sobre "Tipos de condensadores utilizados para el suavizado de la salida de los reguladores de conmutación y sus precauciones".

Las tarjetas de evaluación aceleran el proceso de diseño

Para acelerar aún más el proceso de diseño, ROHM ofrece las placas de evaluación BD9G500EFJ-EVK-001 y BD9F500QUZ-EVK-001 para el BD9G500EFJ-LA y el BD9F500QUZ, respectivamente (Figura 4).

Figura 4: Las tarjetas de evaluación BD9G500EFJ-EVK-001 (izquierda) y BD9F500QUZ-EVK-001 (derecha) para los CI convertidores buck BD9G500EFJ-LA y BD9F500QUZ, respectivamente, ayudan a los diseñadores a asegurarse rápidamente de que los dispositivos cumplen sus requisitos. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor).

El BD9G500EFJ-EVK-001 produce una salida de 5 V_CC a partir de una entrada de 48 V_CC. El rango de tensión de entrada del BD9G500EFJ-LA es de 7 a 76 V_CC, y su tensión de salida es configurable de 1 V_CC a 0,97 x V_IN con resistencias externas. También se puede utilizar una resistencia externa para ajustar la frecuencia de funcionamiento entre 100 y 650 kHz.

La placa de evaluación BD9F500QUZ-EVK-001 produce una salida de 1 V_CC a partir de una entrada de 12 V_CC. El rango de tensión de entrada del BD9F500QUZ es de 4.5 a 36 V_CC, y su tensión de salida es configurable de 0.6 a 14 V_CC con resistencias externas. Esta CI de la fuente de alimentación tiene tres frecuencias de conmutación seleccionables; 600 kHz, 1 MHz y 2,2 MHz.

Consideraciones sobre la disposición de la placa

Las consideraciones generales sobre el diseño de la placa de PC cuando se utiliza el BD9G500EFJ-LA y el BD9F500QUZ incluyen:

1. El diodo de libre circulación y el condensador de entrada deben estar en la misma capa de la placa de circuito impreso que el terminal del CI y lo más cerca posible del CI.
2. Siempre que sea posible, deben incluirse vías térmicas para mejorar la disipación del calor.
3. Coloca el inductor y el condensador de salida lo más cerca posible del CI.
4. Mantenga las trazas del circuito de retorno alejadas de las fuentes de ruido, como el inductor y el diodo.

Se pueden encontrar detalles más específicos de la disposición en las hojas de datos de los respectivos dispositivos y en la nota de aplicación de ROHM sobre "Técnicas de disposición en placa de circuito impreso del convertidor Buck".

Conclusión:

Como se ha demostrado, los convertidores buck asíncronos y síncronos pueden utilizarse para ofrecer mayores eficiencias de conversión en comparación con los reguladores lineales en una variedad de aplicaciones FA, IoT y 5G. Aunque es posible diseñar convertidores buck a medida para un determinado diseño, es una tarea compleja y que requiere mucho tiempo.

En su lugar, los diseñadores pueden optar por circuitos integrados de alimentación que integran el MOSFET de potencia junto con los circuitos de control y accionamiento para producir soluciones compactas y económicas. Además, los diseñadores tienen a su disposición una serie de herramientas para acelerar el tiempo de comercialización, como notas de aplicación sobre la selección de condensadores y el diseño de la placa de circuito impreso, circuitos de ejemplo de aplicación detallados y placas de evaluación.

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