Cuando más es menos: Ahorre espacio valioso al usar más reguladores

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El diseño de un sistema o una red de distribución de energía de la placa, o árbol de energía, a menudo cambia entre centralizado y descentralizado. Es una oscilación impulsada por los avances en tecnología y los componentes, así como por los requisitos de diseño. En situaciones donde el ahorro de espacio para otras funciones es una preocupación primordial, los diseñadores pueden recurrir a los convertidores diminutos CC-CC que traen otros beneficios.

Los beneficios adicionales de estas diminutas unidades CC-CC incluyen permitir a los diseñadores la flexibilidad para revaluar la topología del árbol de energía, su impacto en el diseño de la placa con menos restricciones, mejor rendimiento y mayor eficiencia, y ahorro en el espacio general.

Este artículo discutirá el papel de los convertidores ultra pequeños CC-CC antes de introducir dispositivos de muestra y cómo aplicarlos mejor.

¿Por qué cambiar a convertidores ultra pequeños?

La aparición de diminutos convertidores reductores de energía CC-CC (modo de reducción) refleja un cambio desde el uso de convertidores de bus intermedio (IBC) más grandes a los convertidores de punto de carga (POL) relativamente grandes, que a su vez alimentan un subsistema relativamente grande que comprende varios CI.

En su lugar, los diseñadores ahora tienen la opción de utilizar convertidores físicamente diminutos y altamente distribuidos que se pueden colocar al lado de la carga, que pueden ser solo un CI y sus componentes de soporte.

Hay dos razones para usar estos convertidores CC-CC altamente distribuidos. En primer lugar, los nuevos microcomponentes, las frecuencias de funcionamiento más altas (en el rango de megahercios [MHz]), las técnicas de fabricación avanzadas y las mejoras en el empaque permiten unidades CC-CC fáciles de usar con un rendimiento impresionante. En segundo lugar, proporcionar guías de alimentación de esta manera también trae muchos beneficios primarios y secundarios al diseño del circuito, a la disposición general de la placa y al producto final.

Además, y aunque pueda parecer contrario a la intuición, el uso de muchos convertidores más pequeños puede reducir el espacio total del subsistema de energía, ahorrar espacio en la placa de CI y ofrecer oportunidades para agregar características y funciones.

Observar los detalles

Es interesante observar las especificaciones de rendimiento y tamaño asociadas con estos convertidores. Por ejemplo, el módulo “nano” LMZ10501 de Texas Instruments es un convertidor CC-CC reductor que puede conducir una carga de hasta 1 amperio (A) (figura 1).

Diagrama del convertidor CC-CC LMZ10501 de Texas Instruments

Figura 1: El convertidor CC-CC LMZ10501 de Texas Instruments puede suministrar hasta 1 A con una eficiencia de hasta el 95 %. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

A pesar de esta clasificación de salida, es fiel a su designación "nano", ya que viene en un paquete de 8 pines, 3.00 milímetros (mm) x 2.60 mm µSIP, e incluye su inductor (figura 2).

Imagen del regulador CC-CC LMZ10501 de Texas Instruments

Figura 2: El regulador CC-CC LMZ10501 viene en un paquete de 3.00 mm × 2.60 mm µSIP que incluye su inductor. La vista inferior muestra sus contactos (izquierda) y la vista superior está dominada por el inductor (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El LMZ10501 no es un dispositivo básico, ya que incluye una función de arranque suave basada en un límite de corriente interno, así como protección contra sobrecargas de corriente y apagado térmico. En una aplicación típica con operación básica, requiere solo un capacitor de entrada, un capacitor de salida, un capacitor de filtro VCON pequeño y dos resistencias (figura 3). El inductor integral tiene una capacidad nominal de corriente continua de 1.2 ACC, respaldada por un perfil “suave” de saturación que llega a 2 A.

El diagrama del LMZ10501 de Texas Instruments requiere solo tres capacitores pequeños y dos resistencias

Figura 3: El LMZ10501 requiere solo tres capacitores pequeños y dos resistencias para funcionar; el inductor relativamente grande es parte del propio CI. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La elección de los capacitores externos requiere una cuidadosa consideración. Para proporcionar un equilibrio óptimo entre tamaño, costo, confiabilidad y rendimiento, tanto los filtros de entrada como los de salida deben ser componentes MLCC de baja resistencia equivalente en serie (ESR). Un solo capacitor de 10 microfaradios (μF) (tamaño 0603 o 0805) con capacidad nominal de 6.3 o 10 voltios es generalmente adecuado para eludir el VIN (voltaje de entrada); también se pueden usar múltiples condensadores de 4.7 μF o 2.2 μF.

Tenga en cuenta que elegir un capacitor con un valor demasiado pequeño puede provocar inestabilidad debido a un margen de fase de bucle más bajo. En contraste, si el capacitor de salida es demasiado grande, puede evitar que el voltaje de salida alcance el nivel requerido de 0.375 voltios al final de la secuencia de arranque. No hay un beneficio significativo en el uso de valores mayores a los recomendados.

Observar las implicaciones de tamaño

Con un espacio tan pequeño, los diseñadores pueden restablecer su manera de pensar y buscar nuevas formas de ofrecer energía a los diversos CI y otros componentes. En lugar de una fuente más grande ubicada a cierta distancia, como la esquina de la placa de CI, este µSIP permite que la regulación de la etapa final se realice justo al lado de la carga. Como una ventaja adicional, los dispositivos son totalmente compatibles con las máquinas estándar de manipulación y colocación y las estaciones de soldadura.

¿Cómo ahorrar espacio al usar esta multiplicidad de unidades más pequeñas? El ahorro se produce de manera tanto obvia como no tan obvia:

  • Reducen la necesidad de capacitores a granel físicamente más grandes y de alto valor en el suministro ascendente, ya que gran parte de la regulación ahora se hace localmente a la carga.
  • Permiten la adaptación de la guía (o las guías) de CC final a las características específicas de la carga en la unidad de alimentación CC-CC o CA/CC ascendente.
  • Dado que esta guía de CC está ubicada cerca de la carga, hay una menor necesidad de pequeños capacitores de derivación en las guías. En efecto, el convertidor CC-CC ultra diminuto en la carga no solo ofrece la potencia necesaria, sino que también puede actuar en la función de algunos o todos los capacitores de derivación.
  • Respuesta transitoria mejorada debido a la ubicación cercana.
  • Los convertidores pueden dimensionarse individualmente para que funcionen dentro de su ventana óptima de carga y eficiencia. Esto aumenta la eficiencia general, extiende su modesta disipación a un área más amplia y puede eliminar la necesidad de un ventilador o un disipador de calor.
  • Los dispositivos son tan delgados que se pueden ubicar en la parte inferior de una placa de CI, incluso cuando la placa se encuentra en un bastidor poco espaciado o en una caja delgada. Nuevamente, esto mejora el diseño de manera flexible, lo que puede llevar a un diseño que ahorra espacio.
  • La diafonía y el ruido entre un CI "ruidoso" y los CI sensibles se reducen en gran medida.
  • Aunque estos convertidores no están aislados eléctricamente, si se necesita un pequeño convertidor aislado, solo debe dimensionarse para la función aislada.
  • Finalmente, reduce la necesidad de trayectorias más anchas en la placa de circuito para reducir la caída de IR y las dependencias en las guías de CC, que afectan el rendimiento transitorio del lado de la carga.

Tenga en cuenta que estos diminutos convertidores CC-CC no están limitados a cargas menores a 1 A. Por ejemplo, el módulo de potencia TPS82130 MicroSiP ™, también de Texas Instruments, proporciona una corriente de salida de 3 A desde una entrada de 3 a 17 voltios, lo que integra un convertidor reductor sincrónico y un inductor, y ofrece un voltaje de salida ajustable de entre 0.9 y 6 voltios (figura 4).

Diagrama del módulo TPS82130 CC-CC de Texas Instruments

Figura 4: El módulo TPS82130 CC-CC de Texas Instruments requiere solo unos pocos componentes pasivos externos y puede ofrecer hasta 3 A a 0.9 a 6 voltios (ajustable por el usuario) desde una entrada de CC de entre 3 y 17 voltios. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

No se deje engañar por la designación de "módulo", ya que este dispositivo mide solo 3.0 mm × 2.8 mm × 1.5 mm. Un vistazo a las curvas de rendimiento apropiadas muestra que sus picos generales de alta eficiencia están en poco más de 1 A y se mantienen altos hasta la calificación total de 3 A (figura 5).

Gráfico de eficiencia del TPS82130 CC-CC.

Figura 5: La eficiencia del TPS82130 CC-CC es de alrededor del 60 % o mejor una vez que opera a cargas más altas y picos por encima de 1 A, lo que permite que el tamaño se ajuste a la carga de manera óptima. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Abordar los problemas relacionados a la temporización

Cuando un sistema tiene varias guías, a menudo surgen problemas relacionados con el momento de activación/desactivación entre sí. Hay tres tipos básicos de temporización: secuencial, ratiométrica y simultánea, junto con variaciones de cada uno. Cualquiera de estos se puede implementar al utilizar el pin Habilitar (EN) y el pin Arranque suave/seguimiento (SS/TR) en el TPS82130, junto con algunas resistencias o capacitores (para simplificar, suponga que solo son dos guías).

En la temporización secuencial, el segundo dispositivo se enciende solo después que el primer

dispositivo ha alcanzado la regulación (figura 6).

Diagrama de varias unidades TPS82130 configuradas para temporización secuencial

Figura 6: Se pueden configurar varias unidades TPS82130 para temporización secuencial, donde el regulador izquierdo se enciende antes que el derecho. Nota: Aunque los CI en la figura están etiquetados como TPS62130, el TPS82130 tiene especificaciones mejoradas pero la misma funcionalidad y asignación de pines. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En la temporización ratiométrica, ambos voltajes de salida comienzan al mismo tiempo y alcanzan la regulación al mismo tiempo (figura 7). Se denomina "ratiométrica" ya que los dos voltajes suelen ser diferentes, lo que hace que sus pendientes dV/dt difieran, pero están relacionados por un factor constante.

Diagrama de configuración para la temporización ratiométrica, el segundo aumento de voltaje comienza y termina al mismo tiempo que el primero

Figura 7: En la configuración para la temporización ratiométrica (izquierda), el segundo aumento de voltaje comienza y termina al mismo tiempo que el primero (derecha), con una relación fija entre ellos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Finalmente, en la puesta en marcha simultánea, las pendientes de ambos voltajes de salida son las mismas, lo que hace que los voltajes alcancen la regulación en diferentes momentos (figura 8).

Gráfica de modo simultáneo, ambos voltajes comienzan a subir al mismo tiempo

Figura 8: En el modo simultáneo, ambos voltajes comienzan a subir al mismo tiempo, pero cada uno alcanza la regulación en diferentes momentos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de la secuenciación de inicio relativa, puede haber problemas con el "arranque suave" (la velocidad a la que aumenta el voltaje en el encendido) y el seguimiento relativo de los voltajes reales de la guía entre sí. El TPS82130 también suministra esto con su conexión SS/TR.

¿Qué hacer con este espacio recién liberado?

Hay muchas posibilidades sobre cómo usar el espacio "ahora disponible", pero elegir las correctas depende de las prioridades de la aplicación. Para muchos diseños, el primer lugar a considerar es mejorar la robustez eléctrica y mecánica, áreas que a menudo se "reducen" cuando el espacio es limitado.

Esto puede significar agregar abrazaderas y palancas de alimentación, supresores de voltaje transitorios y protección contra polaridad inversa en las líneas de E/S siempre vulnerables. En el lado mecánico, la adición de soportes de placa de CI y tornillos de fijación adicionales, sujetadores, abrazaderas de batería u otras mejoras estructurales podría ser un buen uso del espacio.

A continuación, es hora de ver cómo agregar capacidades adicionales o funcionalidades que puedan ser útiles. Tal vez ahora haya espacio para una batería un poco más grande, o una pantalla más grande y un CI controlador, más indicadores LED o incluso botones de usuario adicionales. Quizás ahora sea factible una opción de memoria más grande, incluso si requiere un paquete CI más grande. La modesta cantidad de espacio que posiblemente se obtenga al usar estos pequeños conversores CC-CC locales puede proporcionar lo suficiente para hacer más, en especial porque el diseño de la placa ahora tiene una mayor flexibilidad.

Conclusión

A veces, menos puede significar más en formas no anticipadas. La disponibilidad de convertidores reductores CC-CC ultra miniatura permite la colocación de la regulación muy cerca de la carga, lo que tiene un efecto dominó en el rendimiento eléctrico, el diseño de la placa, el tamaño y el tipo de unidad de potencia ascendente, y el mapa térmico.

Un efecto derivado del uso de convertidores ultra miniatura es que hacen que haya más espacio disponible en la envoltura fija de un diseño, lo que permite otras mejoras eléctricas y mecánicas, y la adición de nuevas características y funciones.

Referencia

  1. Texas Instruments, SLVA470A, “Secuenciación y seguimiento con la familia TPS621 y la familia TPS821

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Acerca de este autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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