Control en modos de voltaje y de corriente para la generación de señales PWM en reguladores de conmutación CC-CC

Por Steven Keeping

Colaboración de Electronic Products


Los convertidores de voltaje CC-CC ("reguladores") constan de dos elementos: un controlador y una etapa de potencia. La etapa de potencia incorpora los elementos de conmutación y convierte el voltaje de entrada a la salida deseada. El controlador supervisa la operación de conmutación para regular el voltaje de salida. Los dos están vinculados por un bucle de realimentación que compara el voltaje de salida real con la salida deseada para obtener el voltaje de error.

El controlador es la clave para la estabilidad y la precisión de la fuente de alimentación, y prácticamente todos los diseños utilizan una técnica de modulación por ancho de pulsos (PWM) para la regulación. Existen dos métodos principales de generación de la señal PWM: el control en modo de voltaje y el control en modo de corriente. El control en modo de voltaje fue el primero en implementarse, pero sus desventajas, tales como una respuesta lenta a las variaciones de carga y la ganancia de bucle que variaba con el voltaje de entrada, alentó a los ingenieros a desarrollar el actual método alternativo.

Hoy, los ingenieros pueden seleccionar de una amplia gama de módulos de potencia utilizando cualquiera de ambas técnicas de control. Estos productos incorporan tecnología para superar las principales deficiencias de la generación anterior.

Este artículo describe las técnicas de control en modo de voltaje y de corriente para la generación de señales PWM en los reguladores de conmutación de voltaje y cuáles son las aplicaciones más aptas para cada uno.

Control en modo de voltaje

Los diseñadores encargados de la construcción de una fuente de alimentación pueden desarrollar una unidad de componentes discretos (véase el artículo de TechZone "Reguladores de voltaje CC-CC: Cómo elegir entre el diseño discreto y modular"), un controlador independiente y componentes de potencia, o módulos de fuente de alimentación que integren ambos elementos en un único chip.

Pero, cualquiera sea la técnica de diseño que se emplea, hay una alta probabilidad de que la regulación hará uso de una técnica PWM (normalmente) de una frecuencia fija. (Es preferible contar con una frecuencia de conmutación constante, ya que limita las interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por la fuente de alimentación.)

En un regulador controlado por modo de voltaje, la señal PWM se genera mediante la aplicación de un voltaje de control (CV) a la entrada de un comparador y un voltaje en diente de sierra (Vrampa (o "rampa PWM") de frecuencia fija, generado por el reloj, a la otra (Figura 1).

Imagen del generador de PWM para el regulador de conmutación de voltaje de Texas Instruments

Figura 1: Generador de PWM para regulador de conmutación de voltaje. (Cortesía de: Texas Instruments)

El ciclo de trabajo de la señal PWM es proporcional al voltaje de control y determina el porcentaje de tiempo durante el cual el elemento de conmutación conduce y por ende, a su vez, el voltaje de salida (ver el artículo de TechZone "El uso de PFM para mejorar la eficiencia del regulador de conmutación CC/CC a bajas cargas" ). El voltaje de control se deriva de la diferencia entre el voltaje de salida real y el voltaje de salida deseado (o voltaje de referencia).

La ganancia Fm del modulador se define como el cambio del voltaje de control que causa que el ciclo de trabajo vaya desde 0 a 100 por ciento (Fm = d/VC = 1/Vrampa). 1

La figura 2 muestra los bloques de construcción de un regulador de conmutación típico. La etapa de potencia consta de un interruptor, un diodo, un inductor, un transformador (para diseños aislados), y capacitores de entrada/salida. Esta etapa convierte el voltaje de entrada (VIN) en voltaje de salida (VO). La sección de control del regulador de voltaje consta de un amplificador de error con el voltaje de referencia (igual a la salida deseada) en una entrada y una salida desde un divisor de voltaje en el otro. El divisor de voltaje se alimenta de un rastro de retroalimentación de la salida. La salida del amplificador de error proporciona el voltaje de control (VC o "voltaje de error") que constituye una entrada al comparador PWM.2

Imagen de la sección de control y etapa de potencia de Microsemi

Figura 2: Sección de control y etapa de potencia del regulador de control de conmutación en modo de voltaje. (Cortesía de Microsemi)

Las ventajas del control en modo de voltaje incluyen: un bucle único de realimentación que facilita el diseño y análisis de circuitos; el uso de una onda rampa de gran amplitud que ofrece un buen margen de ruido para un proceso de modulación estable, y una salida de potencia de baja impedancia que proporciona mejor regulación cruzada para fuentes de alimentación de salida múltiple.

Sin embargo, la técnica también tiene algunos inconvenientes notables. Por ejemplo, los cambios de carga deben ser detectados en primera instancia como un cambio de salida y, a continuación, ser corregidos por el bucle de realimentación, lo que se traduce en una respuesta lenta. El filtro de salida complica la compensación del circuito, lo cual puede llegar a ser aún más difícil debido al hecho de que la ganancia del bucle varía con el voltaje de entrada.

Control en modo de corriente

A principios de la década de 1980, los ingenieros propusieron con una técnica de regulador de conmutación de voltaje alternativa capaz de abordar las deficiencias del método de control en modo de voltaje. Denominado control en modo de corriente, la técnica deriva la rampa PWM mediante la adición de un segundo bucle capaz de realimentar la corriente del inductor. Esta señal de retroalimentación consta de dos partes: la corriente de ondulación CA y el valor CC o valor promedio de corriente del inductor. Una forma ampliada de la señal es dirigida a una entrada del comparador PWM, mientras que el voltaje de error conforma la otra entrada. Al igual que con el método de control en modo de voltaje, el reloj del sistema determina la frecuencia de la señal PWM (Figura 3).

Imagen del regulador de conmutación de control en modo de corriente de Texas Instruments

Figura 3: Regulador de conmutación de control en modo de corriente. Aquí la rampa PWM se genera a partir de una señal derivada de la corriente del inductor de salida. (Cortesía de Texas Instruments)

El control en modo de corriente aborda la respuesta lenta del control en modo de voltaje debido a que el inductor de corriente se eleva con una pendiente determinada por la diferencia entre los voltajes de entrada y salida y, por lo tanto, responde inmediatamente a los cambios de voltaje en línea o de carga. Una ventaja adicional es que el control en modo de corriente elimina el inconveniente de la variación de ganancia de bucle con voltaje del método de control en modo de voltaje.

Por otra parte, ya que en un circuito de control en modo de corriente el amplificador de error dirige una corriente de salida en lugar del voltaje, el efecto del inductor de salida sobre la respuesta del circuito se reduce al mínimo y se facilita la compensación. El circuito también exhibe un mayor ancho de banda de ganancia si se lo compara con un dispositivo de control en modo de voltaje.

Las ventajas adicionales del control en modo corriente incluyen la limitación inherente de corriente de pulso por pulso al fijar el comando en el amplificador de error, y compartir la carga simplificada cuando múltiples unidades de energía son utilizadas en paralelo.

Durante un tiempo, el control en modo corriente parecía haber relegado al control en modo de voltaje al pasado. Sin embargo, a pesar de que llevó un tiempo descubrirlos, los ingenieros se percataron de que los reguladores de control en modo corriente presentaban también sus propios retos de diseño.

Uno de los principales inconvenientes es que el análisis de circuitos es difícil de llevar a cabo porque la topología actual del regulador incluye dos bucles de retroalimentación. Una segunda complicación es la inestabilidad del bucle de control "interior" (que transporta la señal de corriente del inductor) en ciclos de trabajo superiores al 50 por ciento. Un reto adicional se origina en el hecho de que debido a que el bucle de control se deriva de la corriente de salida del inductor, las resonancias de la etapa de potencia pueden introducir ruido en el bucle de control interno.3

Limitar el regulador de control en modo corriente a un ciclo de trabajo inferior al 50 por ciento impone serias limitaciones al voltaje de entrada del dispositivo. Afortunadamente, el problema de inestabilidad puede ser resuelto al "inyectar" una pequeña cantidad de compensación de pendiente en el bucle interior. Esta técnica asegura un funcionamiento estable para todos los valores del ciclo de trabajo PWM.

La compensación de pendiente se obtiene restando una onda de voltaje de diente de sierra (que funciona a la frecuencia de reloj) de la salida del amplificador de error. Alternativamente, el voltaje de pendiente de compensación puede ser añadido directamente a la señal de corriente del inductor (Figura 4).

Imagen del regulador de control de modo corriente de Texas Instruments

Figura 4: Regulador de control en modo de corriente con compensación de pendientes. (Cortesía de Texas Instruments)

El análisis matemático demuestra que, para garantizar la estabilidad del bucle de corriente, la rampa de compensación deberá ser superior en una vez y media a la pendiente descendiente de onda de corriente. 4

Hay muchos reguladores de control en modo corriente disponibles comercialmente. Microsemi, por ejemplo, ofrece el regulador sincrónico reductor NX7102 con control en modo corriente. El chip puede aceptar un rango de entrada desde 4.75 a 18 V y ofrece una salida ajustable hasta 0.925 V. La corriente de salida máxima es de 3 A y la eficiencia pico es de entre 90 y 95 por ciento, dependiendo del voltaje de entrada.

Por su parte, Texas Instruments ofrece una amplia gama de reguladores de control en modo corriente. Un ejemplo es el TPS63060, que es un regulador reductor sincrónico de 2.4 MHz que ofrece una salida desde 2.5 a 8 V (a velocidades de hasta 1 A) a partir de una fuente de alimentación de 2.5 a 12 V. El dispositivo ofrece hasta un 93 por ciento de eficiencia y está destinado a las aplicaciones móviles, tales como computadoras portátiles y equipos de medición industrial.

STMicroelectronics también suministra una amplia gama de dispositivos de control en modo corriente, entre los que se incluyen el STBB2. Este es un regulador reductor sincrónico de 2.5 MHz que proporciona una salida de 2.9 o 3.4 V a partir de una entrada de 2.4 a 5.5 V. El dispositivo es capaz de suministrar un máximo de 800 mA a 90% de eficiencia y se suministra en paquete BGA (matriz de malla de bola).

El resurgimiento del modo de voltaje

Una mirada a los catálogos de proveedores de dispositivos de silicio revela que los reguladores de control en modo de voltaje no han desaparecido. La razón de esto es que los principales puntos débiles de la anterior generación de dispositivos han sido abordados mediante una técnica denominada voltaje de alimentación anticipada.

El voltaje de alimentación anticipada se logra modificando la pendiente de la onda de rampa PWM con un voltaje proporcional al voltaje de entrada. Esto proporciona una modulación independiente de corrección correspondiente del ciclo de trabajo del bucle de realimentación.

La técnica mejora la respuesta del circuito a los transitorios de carga y de línea mientras que elimina la sensibilidad a la presencia de un filtro de entrada. El voltaje de alimentación anticipada también estabiliza la ganancia del bucle que ya no varía con el voltaje de entrada. Un pequeño inconveniente es la complejidad de añadir circuitos, porque es necesario un sensor para detectar el voltaje de entrada.

Los ingenieros pueden elegir de una amplia gama de reguladores de control en modo de voltaje de los principales proveedores. Por ejemplo, Maxim ofrece un gran número de dispositivos de control en modo de voltaje incluidos en su cartera, que incluyen el MAX5073. Este regulador de conmutación es un dispositivo reductor/elevador de 2.2 MHz que funciona a partir de una fuente de alimentación de 5.5 a 23 V y genera una salida de 0.8 a 28 V. En modo reductor, el regulador puede proporcionar hasta 2 A.

Del mismo modo, Intersil ofrece el ISL9110A un regulador de conmutación de 2.5 MHz que ofrece control en modo de voltaje. El dispositivo funciona a partir de un rango de voltaje de entrada de 1.8 a 5.5 V y proporciona una salida de 3.3 V en hasta 1.2 A y un 95 por ciento de eficiencia.

Por su parte, International Rectifier ofrece el IR3891, un regulador reductor de control en modo de voltaje con un amplio rango de entrada de 1 a 21 V y un rango de salida de 0.5 a 18.06 V. El chip tiene una frecuencia de conmutación de 300 KHz a 1.5 MHz y puede suministrar hasta 4 A. El dispositivo IR3891 dispone de dos salidas.

Elección de la tecnología

Prácticamente todos los reguladores de conmutación de voltaje utilizan el control PWM para los elementos de conmutación. La señal PWM es generada, bien sea a partir de un voltaje de control (derivado de restar el voltaje de salida del voltaje de referencia) combinado con una onda de diente de sierra que funciona a la frecuencia del reloj para el regulador en modo de voltaje, o bien mediante la adición de un segundo bucle que retroalimenta al inductor de corriente para el tipo de modo corriente. Los dispositivos modernos han superado en gran medida los principales inconvenientes de diseños anteriores mediante el uso de técnicas tales como el voltaje de alimentación anticipada para los diseños de control de voltaje y la compensación de pendiente para las unidades en modo corriente.

El resultado de estas innovaciones es que los ingenieros tienen una gran variedad de elección para ambos tipos de topología. Se recomienda el uso de reguladores de conmutación de control en modo de voltaje cuando es posible que ocurran amplias variaciones de línea de entrada o de salida de carga, bajas cargas ligeras (cuando una pendiente de rampa de control en modo corriente resultaría demasiado superficial para el funcionamiento PWM estable), en aplicaciones ruidosas (cuando el ruido de la etapa de potencia podría afectar al bucle de realimentación de control en modo corriente), y cuando se requieren voltajes de múltiples salidas con buena regulación cruzada.

Se recomienda el uso de dispositivos de control en modo corriente para aplicaciones en las que la salida de la fuente es una corriente elevada o un voltaje muy elevado; cuando se requiere la más rápida respuesta dinámica a una frecuencia en particular, las variaciones de voltaje de entrada se ven limitadas, y en aplicaciones en las que el costo y el número de componentes debe ser minimizado.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de Digi-Key.

Referencias:
  1. "Comprender y aplicar la teoría de control en modo corriente: Guía de diseño práctico el funcionamiento en modo de conducción continua de frecuencia fija" Robert Sheehan, National Semiconductor, octubre de 2007.
  2. "Control en modo de voltaje, en modo de corriente y en modo de histéresis" Sanjaya Maniktala, Microsemi, TN-203, 2012.
  3. "Modo de voltaje o modo de corriente para topología de alimentación de potencia de conmutación" Robert Mammano, Unitrode, DN-62, junio de 1994.
  4. "Modelado, análisis y compensación de los convertidores en modo corriente" Texas Instruments, U-97, 1999.

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