Pequeños módulos de potencia de reducción simplifican el "hacer o comprar" de los diseñadores... Elección

Los dispositivos electrónicos están omnipresentes e incrustados en todas partes, desde la Internet de las cosas (IoT), los dispositivos médicos clínicos y los artículos de vestir, hasta los edificios inteligentes, los sensores inteligentes y una miríada de productos de consumo. Ya sea que su principal fuente de energía sea un convertidor CA-CC operado por línea o una batería, el desafío es proveer a estos dispositivos con uno o más rieles de energía CC de bajo voltaje, debidamente regulados y bien conducidos. Además de la función principal de ofrecer una regulación estricta -aunque a menudo se trabaja a partir de un amplio rango de voltaje de entrada- el subsistema de CC-CC de estos dispositivos debe ser pequeño, eficiente, eléctricamente silencioso y cumplir con estrictos requisitos de regulación.

Los diseñadores tienen dos opciones claras para proporcionar esta energía CC: Pueden diseñar y construir ("hacer") su propio subsistema CC-CC, o pueden elegir comprar un módulo de la estantería que esté completo y listo para usar. "Hacer" tiene sus ventajas en términos de personalización, pero puede aumentar el costo y los retrasos ya que el diseño de la fuente de alimentación combina la tecnología, la artesanía, el arte y algo de suerte. Hasta hace poco, el umbral de "fabricación frente a compra" era tal que tenía sentido desde el punto de vista técnico y de los costos para comprar para suministros de gama alta (100 vatios (W)) y de gama media (10 W a 100 W), mientras que en la gama baja (10 W) a menudo era una decisión de "fabricación". Los diseñadores podrían crear su propia unidad de reducción utilizando un CI regulador de baja caída (LDO) o de conmutación, además de algunos componentes pasivos externos.

Ahora, sin embargo, debido a una combinación de requisitos cada vez más exigentes en cuanto al tiempo de comercialización, combinados con innovaciones en la dirección de módulos diminutos y completos, la decisión de compra es mucho más atractiva y sensata, incluso en los niveles de potencia más bajos.

Este artículo analiza los parámetros clave, los requisitos de rendimiento y las soluciones relacionadas con la entrega de potencia CC-CC más baja, utilizando como ejemplo la familia de módulos de potencia CC-CC reductores Himalaya uSLIC de Maxim Integrated.

El rendimiento básico es solo el comienzo

Al igual que con otras fuentes de energía, los reguladores CC-CC de baja potencia se caracterizan inicialmente por unos pocos parámetros básicos: rango de voltaje de entrada, ajuste de voltaje de salida (fijo o ajustable) y máxima corriente de salida. Estos son los parámetros de partida. Hay factores adicionales relacionados con la calidad, como la regulación y la estabilidad bajo cargas variables, la corriente de rizado y el rendimiento transitorio. También hay características valiosas como el bloqueo por subvoltaje (UVLO), la protección térmica y de cortocircuito, la protección por sobrevoltaje (OVP) y la protección por sobrecorriente (OCP).

La lista de parámetros importantes también incluye la eficiencia operativa. En algunos casos, se requiere una alta eficiencia para cumplir los mandatos "verdes" de la reglamentación, aunque esta reglamentación no es tan estricta para las fuentes de energía de menor potencia como para las de gama media y alta. Una mayor eficiencia también ayuda a prolongar el tiempo de funcionamiento en las aplicaciones que funcionan con baterías y es importante en condiciones de carga nominal y de baja carga, así como en el modo de reposo. Incluso cuando hay una línea de CA como fuente primaria y el tiempo de funcionamiento no está determinado por la eficiencia, sigue siendo crítico minimizar la disipación de energía y la carga térmica.

Las consideraciones sobre la interferencia electromagnética (IEM) también son un factor de regulación en dos sentidos:

• Primero, los reguladores CC-CC no deben ser susceptibles a EMI y ruido "entrante", ya que esto afectaría su rendimiento y lo que sea que estén alimentando.
• No deben ser fuentes de IEM radiadas y conducidas, siendo los límites permitidos de IEM una función de la aplicación final (por ejemplo, consumo, automotriz, industrial y médica), el rango de potencia y la frecuencia.

Conseguir que un producto sea certificado para cumplir con los diversos mandatos de EMI es un proceso complicado y que lleva mucho tiempo y requiere tanto de diseño como de experiencia en pruebas.

En ningún debate sobre las exigencias de las funciones de los reguladores de potencia se pueden ignorar otros dos factores: el tamaño y el costo. Por lo general, lo más pequeño es mejor y a menudo se requiere, aunque eso puede no ser una prioridad máxima para los productos con factores de forma más grandes. El menor costo siempre es bienvenido, por supuesto, aunque su importancia relativa está determinada por los requisitos de la aplicación.

"Hacer vs comprar" tiene nuevos criterios de evaluación

Es evidente que hay compensaciones entre la decisión de compra y la de venta, incluidas las ponderaciones relativas de los factores subyacentes. Por ejemplo, ¿cuánto vale una solución más pequeña? ¿Cuánto por un mejor rendimiento a lo largo de un eje? Por ejemplo, un regulador de conmutación de 2 megahercios (MHz) es más pequeño que la versión de 1 MHz con especificaciones básicas comparables, pero es probable que su eficiencia sea menor debido a las mayores pérdidas que se producen al funcionar a la frecuencia más alta.

Dada la gran cantidad de circuitos integrados reguladores de CC-CC aparentemente fáciles de usar y de alto rendimiento que están disponibles para niveles de potencia más bajos, puede parecer que "hacer" es una decisión sensata. Sin embargo, la realidad es que cada vez más no es así. Esto se debe a una acumulación de factores, entre ellos las numerosas exigencias impuestas al funcionamiento del circuito y los riesgos asociados a la "marca", incluida su puesta en producción, los desafíos que plantea el abastecimiento de los dispositivos pasivos asociados y las rigurosas exigencias de prueba/certificación.

Un inductor aclara la situación

Los reguladores de conmutación requieren un pequeño inductor para el almacenamiento de energía que no se puede fabricar en un chip. En principio, un inductor es un componente casi trivial y su modelo inicial se caracteriza simplemente por su inductancia y resistencia CC. Una vez que el diseñador tiene los valores de estos dos factores, el modelado y diseño del regulador CC-CC puede proceder, en teoría.

En la práctica, las cosas no son tan sencillas, e incluso un modelo simplificado "mejorado" de un inductor incorpora la autocapacidad como una función de la frecuencia (Figura 1).

Figura 1: Incluso el circuito equivalente del inductor simple tiene algunas complejidades, y su modelo cambia con la frecuencia de funcionamiento del inductor. (Fuente de la imagen: Springer Nature Switzerland AG)

No existe un único modelo "correcto", y los modelos avanzados y altamente detallados incluyen elementos parásitos adicionales difíciles de evaluar (Figura 2).

Figura 2: A medida que la frecuencia a la que se utiliza el inductor aumenta, el circuito equivalente desarrolla muchas más sutilezas, siendo algunas de ellas una función de la colocación del inductor, de los componentes vecinos y de la placa de la PC. (Fuente de la imagen: Sonnet Software, Inc.)

El tamaño físico y la colocación del inductor complica ese modelo; e incluso un ligero cambio en su posición u orientación cambia la precisión del modelo y afecta el rendimiento, la EMI y la eficiencia. A medida que las frecuencias de conmutación se extienden en el rango de los megahercios, los modelos deben captar cada vez más estos factores adicionales.

Además, hay una cuestión de la que pueden dar fe los ingenieros experimentados: a veces los departamentos de compras o las instalaciones de producción sustituyen una pieza similar en lugar del proveedor específico y el modelo que el ingeniero ha llamado en la lista de materiales (BOM). Esta "inocente" sustitución parece que no será un problema ya que las especificaciones de alto nivel de las diferentes unidades son idénticas. Sin embargo, las especificaciones de segundo nivel más sutiles del componente pueden diferir de tal manera que el rendimiento del regulador CC-CC cambia de lo que se construyó, probó y aprobó a uno que no funciona como se probó y liberó.

Por estas y otras razones, el camino del "hágalo usted mismo" utilizando uno de los muchos CI reguladores disponibles y unos pocos componentes pasivos es cada vez más arriesgado en lo que respecta al rendimiento, el cumplimiento y el tiempo de comercialización. Se suma a hacer que "comprar" parezca muy atractivo usando alternativas viables.

Los consejos de equilibrio se inclinan fuertemente hacia la "compra".

El paisaje de compra en este rango de menor potencia ha cambiado dramáticamente en los últimos años. Los diseñadores pueden ahora seleccionar entre una amplia gama de dispositivos de la familia de módulos de alimentación CC-CC de Maxim Integrated. Estos módulos no tienen las compensaciones o compromisos en cuanto a rendimiento y tamaño, o el riesgo de la decisión de "tomar".

La familia del Himalaya uSLIC incluye dos unidades de salida fijas, el MAXM17630 (3.3 voltios de salida) y el MAXM17631 (5 voltios de salida), así como el conjunto de resistencias, ajustable MAXM17632 (0.9 voltios a 12 voltios de salida), todos con capacidad de corriente de 1 amperio (A). Cada uno de estos módulos síncronos CC-CC incluye un controlador integrado, MOSFET, componentes de compensación e inductor. La compensación incorporada en todo el rango de voltaje de salida elimina la necesidad de componentes de compensación externos, que a menudo son difíciles de seleccionar, ya que deben ajustarse a los modos de funcionamiento de los reguladores.

Los módulos funcionan con una amplia gama de entradas que van desde 4.5 voltios a 36 voltios; otros módulos uSLIC están disponibles para funcionar con entradas de hasta 60 voltios, lo que resulta útil para los diseños industriales. La precisión de la regulación del voltaje de retroalimentación para la familia de módulos es de ±1.2%. Los módulos incluyen protección contra sobretemperatura y están especificados para una temperatura ambiente de funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

Estos módulos solo necesitan unas pocas resistencias externas no críticas y capacitores cerámicos de bajo costo para funcionar y establecer las características de funcionamiento (Figura 3).

Figura 3: El MAXM17631 es un miembro de la familia Maxim Himalaya uSLIC de módulos de potencia de reducción CC-CC que son fáciles de configurar y usar; note la falta de un inductor visible. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Son "solo de hardware", sin iniciación de software o puerto de configuración a tener en cuenta. Aunque no son CI, se parecen a ellos. El inductor interno está encapsulado dentro del diminuto paquete de 16 pines de 3 milímetros (mm) × 3 mm de 1.75 mm, de bajo perfil, con una almohadilla térmica integral en la parte inferior (Figura 4).

Figura 4: Los miembros de la familia Maxim Himalaya uSLIC miden solo 3 mm × 3 mm × 1.75 mm con 16 pines; los paquetes también tienen una almohadilla térmica en la parte inferior para simplificar el hundimiento del calor. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

A pesar de su pequeño tamaño, los módulos uSLIC del Himalaya ofrecen un alto rendimiento, facilidad de uso y flexibilidad en la configuración. Soportan un funcionamiento de frecuencia ajustable de 400 kilohercios (kHz) a 2.2 MHz con la opción de sincronización de reloj externo. Además, no hay necesidad de preocuparse de que el módulo de potencia sea una razón para no cumplir con los estrictos mandatos de EMI, ya que las unidades cumplen con los requisitos de emisiones conducidas y radiadas de clase B de CISPR 22 (EN 55022) (Figura 5 y Figura 6).

Figura 5: Los miembros de la familia Maxim Himalaya uSLIC cumplen fácilmente con el límite de emisiones conducidas CISPR 22 (EN 55022) Clase B. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Figura 6: Los miembros de la familia Maxim Himalaya uSLIC también están por debajo del permiso de clase B de CISPR 22 (EN 55022) para emisiones radiadas. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

También cumplen con los estándares de caída, choque y vibración de paso JESD22-B103, B104 y B111; hacerlo en un diseño "de marca" es una carga adicional más allá de cumplir con los requisitos de rendimiento eléctrico.

¿Por qué no usar un LDO en su lugar?

Los reguladores de baja deserción (LDO) se utilizan ampliamente en los incontables millones que se utilizan cada año y satisfacen las necesidades de muchas aplicaciones. Son fáciles de aplicar y no presentan prácticamente ningún ruido de salida. Sin embargo, su eficiencia disminuye a medida que aumenta la corriente que suministran, y a medida que aumenta el diferencial de voltaje entre su carril de suministro y su salida. En muchas aplicaciones de menor potencia, pueden parecer una solución razonablemente atractiva para proporcionar una salida regulada a pesar de la penalización por eficiencia.

Sin embargo, a menudo no es así. Consideremos el ejemplo de un sensor óptico de proximidad con limitaciones de espacio que requiere 5 voltios a 80 miliamperios (mA) de un suministro nominal de 24 voltios de CC (es decir, 19.2 voltios de CC a 30 voltios de CC) (Figura 7).

Figura 7: Un pequeño módulo uSLIC puede ser usado para entregar efectivamente los 5 voltios a 80 mA requeridos en este ejemplo de un diseño compacto de sensor de proximidad de base óptica. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Un resumen de un análisis comparativo utilizando un LDO estándar frente al MAXM17532 módulo de alimentación uSLIC-un dispositivo de 0.9 a 5.5 voltios de salida, 100 mA-muestra la dramática diferencia (Tabla 1).

Tabla 1: La energía ahorrada cuando se utiliza un uSLIC en comparación con un LDO es dramática, así como la diferencia en la disipación total, que es alrededor del 5% de la cantidad cuando se utiliza la solución de LDO. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

La solución de energía del uSLIC es cuatro veces más eficiente que el LDO y reduce la disipación de energía a 1/19 (hasta aproximadamente el 5%) de la solución del LDO con la entrada nominal de 24 voltios; la diferencia es aún mayor cuando la entrada de CC está en su valor de 30 voltios (los detalles de este análisis y otros ejemplos se encuentran en la Referencia 1).

Completo pero todavía configurable

Aunque los dispositivos uSLIC son módulos "sellados" que implementan una arquitectura de control de modo de corriente de pico, el usuario tiene la oportunidad de seleccionar uno de los tres modos de operación para ellos. Esto permite elegir los atributos de rendimiento que mejor se adapten a las prioridades y compensaciones de la aplicación y no tiene que ser seleccionado cuando se piden las piezas, sino que lo hace el diseñador según sea necesario a través de la conexión apropiada de un pin del paquete. Así, el mismo dispositivo puede ser utilizado en sus diferentes modos a través de múltiples productos e incluso dentro del mismo producto, simplificando la lista de materiales y permitiendo cambios posteriores en el ciclo de diseño.

Los tres modos son:

• Modo de modulación de ancho de pulso (PWM): Se permite que la corriente inductora interna se vuelva negativa. Este modo de funcionamiento es útil en aplicaciones sensibles a la frecuencia y proporciona un funcionamiento de frecuencia de conmutación fija en todas las cargas. Sin embargo, da una menor eficiencia en las cargas ligeras en comparación con los otros dos modos.

• Modo de modulación de frecuencia de pulso (PFM) : Este modo desactiva la corriente de salida negativa en el inductor, proporcionando una mayor eficiencia en cargas ligeras debido a la menor corriente de reposo extraída del suministro. La desventaja es que la ondulación del voltaje de salida es mayor en comparación con los otros modos de funcionamiento, y la frecuencia de conmutación no es constante en las cargas ligeras.

• Modo de conducción discontinua (DCM): Este modo también permite una alta eficiencia en condiciones de carga ligera e incluye el funcionamiento en frecuencia constante hasta cargas más ligeras que el modo PFM al desactivar la corriente inductora negativa en cargas ligeras. Ofrece una eficiencia que se encuentra entre los modos PWM y PFM, y la ondulación del voltaje de salida en el modo DCM es comparable al modo PWM y relativamente más baja comparada con el modo PFM.

Para estos módulos uSLIC, los usuarios también pueden establecer factores como el tiempo de arranque utilizando un capacitor externo opcional. Esta característica es útil en los diseños de carriles múltiples donde la secuenciación de la energía y las tasas de aumento son críticas.

Los módulos eliminan el esfuerzo de caracterización

Una de las muchas tareas a las que se enfrentan los ingenieros que eligen la opción de "fabricar" es evaluar adecuadamente su producto final en diversas condiciones de funcionamiento estáticas y dinámicas, y a través de muchos parámetros diferentes. Este es un esfuerzo que consume mucho tiempo y también tiene muchas oportunidades de cometer errores involuntarios. Entre los muchos requisitos es que la carga debe ser controlada cuidadosa y activamente.

En cambio, el equipo de diseño puede saltarse este paso al usar los módulos uSLIC de Maxim Himalaya. Dado que las unidades están completas, están totalmente caracterizadas desde los pines de entrada hasta los rieles de salida en sus hojas de datos. Además de las tablas de características eléctricas, hay más de cien gráficos que definen el rendimiento, cubriendo factores como la eficiencia frente a la corriente de carga, el voltaje de salida frente a la corriente de carga, la ondulación del voltaje de salida, la respuesta transitoria de la carga, el rendimiento de arranque y parada, y los gráficos de Bode, todo ello a través de una amplia gama de condiciones de funcionamiento, incluida la temperatura siempre importante. Además, se dispone de potentes herramientas de diseño y simulación que facilitan la incorporación del comportamiento de un módulo en una simulación más amplia de todo el sistema.

Llegar a las manos rápidamente

Aunque los módulos de Maxim uSLIC son fáciles de aplicar y vienen con un rendimiento totalmente caracterizado, así como con modelos de simulación, los diseñadores pueden todavía tener la necesidad de obtener una sensación "práctica" de sus capacidades y desarrollar un factor de comodidad con estos pequeños dispositivos. Como los uSLIC son tan pequeños, Maxim ofrece la placa de evaluación MAXM17630EVKIT# para acelerar la evaluación (Figura 8). Esta placa tiene tres secciones adyacentes independientes, una para cada uno de los módulos MAXM17630, MAXM17631 y MAXM17632.

Figura 8: La placa de evaluación MAXM17630EVKIT# de Maxim proporciona soporte directo para la configuración y evaluación del trío de módulos MAXM17630, MAXM17631 y MAXM17632, a través de tres secciones adyacentes e independientes. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Permite al usuario ejercitar y evaluar el funcionamiento del uSLIC en cualquiera de los modos básicos de funcionamiento (PWM, PFM y DCM), sincronizarse con un reloj externo si se desea, activar y desactivar un módulo y cambiar la configuración de UVLO. En la configuración inicial, la tarjeta de evaluación configura el módulo MAXM17630 (3.3 voltios a 1 A) para operar a una frecuencia de conmutación de 900 kHz, sobre un rango de entrada de 4,5 a 36 voltios; el módulo MAXM17631 (5 voltios a 1 A) está configurado para operar a una frecuencia de conmutación de 1.250 MHz sobre un rango de entrada de 7 a 36 voltios; y el módulo ajustable MAXM17632 está configurado para una operación de 13 voltios a 1 A a una frecuencia de conmutación de 2.150 MHz sobre un rango de entrada de 20 a 36 voltios.

El esquema de la placa de evaluación junto con la disposición del tablero superior e inferior y la máscara se detallan en la hoja de datos. Todo lo que se requiere para usar la placa de evaluación es una sola fuente de alimentación de 0 a 36 voltios CC a 1 A, un multímetro digital y resistencias de carga que pueden hundirse hasta 1 A a 3.3 voltios, 5 voltios y 12 voltios. La disposición de la placa del equipo también está diseñada para limitar las emisiones radiadas de los nodos de conmutación del convertidor de potencia, lo que da lugar a emisiones radiadas por debajo de los límites de la clase B de la norma CISPR22.

La placa también reconoce que un arreglo de evaluación no es lo mismo que la configuración final de diseño. Por esta razón, tiene previstos capacitores electrolíticos opcionales que amortiguan los picos de tensión de entrada y las oscilaciones que pueden producirse durante la conexión en caliente o que se deben a los largos cables de entrada que a menudo forman parte de la configuración de la evaluación pero que no estarán presentes en el uso real. Estos cables corren entre la fuente de energía de entrada y los circuitos del kit y pueden inducir oscilaciones de voltaje de entrada debido a su inductancia. La resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor electrolítico ayuda a amortiguar las oscilaciones que pueden causar.

Conclusión:

Los módulos uSLIC de Maxim Himalaya demuestran claramente que el equilibrio "hacer versus comprar" ahora favorece fuertemente la compra, incluso a niveles relativamente bajos de potencia del convertidor CC-CC. Su pequeño tamaño, su rendimiento totalmente caracterizado, el cumplimiento de los mandatos reguladores de EMI y eficiencia, y la simplificación del BOM del producto final hacen que seleccionarlos sea una decisión lógica.

Referencias:

1. "Cumplir con las necesidades de eficiencia y disipación de energía de las aplicaciones con limitaciones espaciales"
2. "Cómo alimentar eficientemente pequeños sensores industriales"
3. Nota de aplicación 6417, "Directrices de montaje para paquetes uSLIC"