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Tutorial de arquitectura de control Torex HiSAT-COT™

Por Harmik Singh, Business Development Manager, Torex

Este artículo revisa algunas arquitecturas comunes de control de retroalimentación de las fuentes de alimentación conmutadas. Se explican las ventajas y desventajas de cada arquitectura y se discute en detalle la arquitectura de control de HiSAT-COT™ Torex. El HiSAT-COT está diseñado para aplicaciones que requieren una respuesta transitoria ultrarrápida y un funcionamiento a una frecuencia fija. Estas aplicaciones incluyen equipos de red y de comunicación, módulos de alimentación y otros productos incorporados.

Los convertidores de energía de modo conmutador se utilizan generalmente en sistemas portátiles para maximizar la vida de la batería. Se pueden utilizar para reducir o aumentar el voltaje de la batería a niveles más altos. Las fuentes de alimentación conmutadas están disponibles con modo de voltaje, modo de corriente y arquitecturas de control de retroalimentación constante en el tiempo (Figura 1). La modulación de ancho de pulso (PWM) y la modulación de frecuencia de pulso (PFM) están entre los modos de operación para controlar el voltaje de salida. El PWM proporciona la regulación ajustando la relación de tiempo de encendido/apagado a una frecuencia de conmutación constante, mientras que el PFM utiliza una relación de tiempo fijo de encendido/apagado y una frecuencia variable.

El diagrama de las fuentes de alimentación de CC del PWM puede ser en modo de voltaje o en modo de corrienteFigura 1: Las fuentes de CC del PWM pueden ser de modo de voltaje o de corriente, mientras que las fuentes de CC del PFM pueden ser dispositivos de tiempo constante. (Fuente de la imagen: Torex)

¿Cuál es la diferencia entre PWM y PFM?

Un convertidor PWM es una arquitectura de convertidor de potencia CC/CC que utiliza un oscilador de frecuencia fija para accionar los interruptores de potencia y transferir la energía de la entrada a la salida. La señal de accionamiento utilizada es constante en frecuencia pero varía en su ciclo de trabajo (relación entre el tiempo de encendido de la potencia FET y el período total de conmutación). La frecuencia del reloj es fija y el ciclo de trabajo se ajusta en función de las condiciones de funcionamiento.

Una arquitectura que utiliza una frecuencia variable para accionar los interruptores de potencia en los convertidores de potencia CC-CC se llama PFM o "modulación de frecuencia de pulso". La frecuencia de la señal de accionamiento se controla directamente para regular el voltaje de salida. Los convertidores CC/CC con control constante en tiempo o constante fuera de tiempo son ejemplos típicos de la arquitectura PFM.

Control del modo de tensión

La figura 2 muestra un convertidor de potencia con control de modo de tensión. Esta arquitectura utiliza una única ruta de retroalimentación de voltaje. El voltaje de error es comparado con la rampa por un comparador PWM que impulsa el bloque de control para generar una señal PWM para controlar el interruptor del lado alto.

Diagrama del convertidor de potencia con control de modo de voltajeFigura 2: Convertidor de potencia con control de modo de tensión. (Fuente de la imagen: Torex)

Las ventajas del control del modo de tensión incluyen:

  • Menos sensible al ruido que el control de modo de corriente comparable
  • El bucle de retroalimentación sinusoidal hace que el análisis sea más fácil
  • Puede funcionar con una amplia gama de voltajes de entrada y ciclos de trabajo

Las desventajas del control del modo de tensión incluyen:

  • La ganancia del bucle es proporcional al VIN
  • Requiere una compleja compensación
  • Respuesta lenta: los cambios en el voltaje de entrada son detectados en la salida.
  • La limitación de la corriente debe hacerse por separado.

La figura 3 muestra un convertidor de potencia con control de modo de corriente. Esta arquitectura utiliza dos rutas de retroalimentación para detectar el voltaje de salida y la corriente del inductor.

Diagrama del convertidor de potencia con control del modo de corrienteFigura 3: Convertidor de potencia con control del modo de corriente. (Fuente de la imagen: Torex)

Las ventajas del control del modo actual incluyen:

  • Respuesta rápida a los cambios de línea y carga
  • Facilidad de compensación
  • Limitación de corriente
  • Compartimiento de carga simplificado

Las desventajas del control del modo actual incluyen:

  • Un análisis de circuitos más difícil ya que hay dos bucles
  • Las resonancias en la etapa de potencia pueden introducir ruido en el bucle de control interno1
  • Necesidad de compensación de la pendiente

La figura 4 muestra un convertidor de potencia con control de tiempo constante (COT). En la arquitectura de control de la COT, no hay reloj y la frecuencia puede variar.

Diagrama del convertidor de potencia con control constante en el tiempoFigura 4: Convertidor de potencia con control de tiempo constante. (Fuente de la imagen: Torex)

Las ventajas del control del modo COT incluyen:

  • Mínimo número de componentes externos necesarios
  • Respuesta de transiente rápida
  • No se necesita ninguna compensación
  • Buena eficiencia en una amplia gama de condiciones de carga

Las desventajas del control del modo actual incluyen:

  • Variaciones de frecuencia
  • Requiere la supresión de la onda de salida
  • Sensible al ruido de salida
  • Necesita protección contra sobrecorrientes

El mayor inconveniente de la arquitectura COT es la variación de frecuencia que puede causar interferencia electromagnética (EMI) en circuitos sensibles adyacentes al regulador. Torex aborda esta debilidad con su arquitectura patentada de control HiSAT-COT. HiSAT-COT son las siglas de Arquitectura de Circuito de Alta Velocidad para Constante en tiempo. La figura 5 muestra la comparación entre la arquitectura de control de COT y la de Torex HiSAT-COT.

Comparación de características entre topologías
Función COT Hi-SAT COT (1.º generación) Hi-SAT COT (2.º generación)
Regulación de la línea Excelente Excelente Excelente
Regulación de la carga Excelente Excelente Excelente
Operación estable con una amplia gama de condensadores de carga No
Voltaje de salida mínimo <1 V >1 V <1 V
Frecuencia de conmutación Variable Pseudo-Fijo Fijo
Respuesta transitoria Ultrarrápido Ultrarrápido Ultrarrápido
Precisión Buena Buena Excelente
Modo de ahorro de energía Inherente Inherente Inherente
Capacidad de salida Limitada Flexible Flexible

Figura 5: Comparación de los dispositivos HiSAT COT de Torex con los convertidores COT normales. (Fuente de la imagen: Torex)

La arquitectura de control HiSAT-COT de segunda generación de Torex proporciona un funcionamiento de frecuencia fija y mejora la precisión de la salida. La figura 6 muestra una típica variación de frecuencia del HiSAT-COT frente a la curva de corriente de carga.

Gráfico de variación de frecuencia vs. corriente de carga para la primera y segunda generación de dispositivos Hi-SAT COT de TorexFigura 6: Variación de frecuencia vs. corriente de carga para la primera y segunda generación de dispositivos Hi-SAT COT de Torex. (Fuente de la imagen: Torex)

Comparado con los productos convencionales de CC-CC del mercado, el control HiSAT-COT produce una respuesta transitoria ultrarrápida, como se muestra en la figura 7 y no requiere ninguna compensación externa. Hay una mejora de aproximadamente 6 veces cuando se aplica la carga y una mejora de aproximadamente 9 veces cuando se elimina la condición de carga.

Gráficos de comparación entre un Torex HiSAT-COT de segunda generación y un convertidor estándar controlado por PWMFigura 7: Comparación de la respuesta transitoria de carga entre un HiSAT-COT de segunda generación de Torex y un convertidor estándar controlado por PWM. (Fuente de la imagen: Torex)

La arquitectura de control HiSAT-COT de segunda generación también mejora la precisión del voltaje de salida de la corriente continua. Esto se logra mediante un circuito de referencia de voltaje compensado de temperatura superior que puede lograr una precisión de voltaje de +/-1% FB (ancho de banda de frecuencia) sobre la temperatura (Figura 8). Es necesario mantener la precisión del alto voltaje a bajos voltajes ya que muchas cargas MPU (unidad de microprocesador) requieren tolerancias estrictas de voltaje de entrada.

Gráficos de la típica precisión del voltaje de salida sobre la frecuenciaFigura 8: Precisión típica del voltaje de salida sobre la frecuencia para la primera y segunda generación de dispositivos HiSAT-COT de Torex. (Fuente de la imagen: Torex)

Torex ha anunciado recientemente el XC9281/XC9282, una nueva serie de control HiSAT-COT, convertidores CC-CC con reducción de 600 mA extremadamente pequeños. Los dispositivos funcionan con voltajes de entrada de 2.5 V a 5.5 V, con el voltaje de salida ajustable de 0.7 V a 3.6 V. El dispositivo sólo consume 11 µA de corriente de reposo. Operando a una frecuencia de conmutación de 6 MHz, se puede utilizar un inductor de 0.47 µH con un tamaño de 1.0 x 0.5 mm. Se puede utilizar un condensador cerámico de 0.6 x 0.3 mm para la capacitancia de entrada (CIN) y la capacitancia de salida (CL). El uso de estos componentes da como resultado un área de montaje, incluyendo los componentes periféricos, de solo 6.6 mm2. (Figura 9)

Imagen del área de montaje de los dispositivos XC9281/XC9282 de TorexFigura 9: Área de montaje de los dispositivos XC9281/XC9282 de Torex, incluyendo los componentes periféricos. (Fuente de la imagen: Torex)

La tabla 1 muestra la 2ª generación de productos HiSAT-COT de Torex.

La familia de convertidores CC/CC de la segunda generación de Hi-SAT COT de Torex
Serie Rango de VIN Rango de VOUT IOUT FSW Paquete
XC9266 2.7 V - 5.5 V 0.8 V ~ 3.6 V 6.0 A 1.2 MHz / 3 MHz QFN-24
XC9273 2.7 V - 5.5 V 0.8 V ~ 3.6 V 3.0 A 1.2 MHz / 3 MHz QFN-24
XC9274/75 2.7 V - 5.5 V 0.8 V ~ 3.6 V 3.0 A 1.2 MHz / 3 MHz SOP-8FD
XC9281/82 2.7 V - 5.5 V 0.8 V ~ 3.6 V 6.0 A 6 MHz LGA-6B01
WLP-5-06

Tabla 1: Segunda generación de productos HiSAT-COT de Torex. (Fuente de la imagen: Torex)

Resumen

Los diseñadores que deseen diseñar circuitos de potencia de punto de carga ahora tienen una familia de productos Torex para elegir. Estos dispositivos mejoran la eficiencia en una amplia condición de funcionamiento. Al operar a una alta frecuencia de conmutación y proporcionar una respuesta transitoria ultrarrápida, la familia de productos HiSAT-COT reduce el tamaño total de la solución al reducir el tamaño del inductor y el condensador de salida.

Referencia

  1. "Modo de voltaje o modo de corriente para topología de alimentación de potencia de conmutación" Robert Mammano, Unitrode, DN-62, junio de 1994.

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Acerca de este autor

Harmik Singh, Business Development Manager, Torex

Harmik Singh is a Business Development Manager at Torex. He has over 20 years of experience in marketing and defining power management products for consumer, server, data communication, and industrial markets. Harmik has published articles and press releases for digital power, power-over-ethernet, hot-swap, and DC-DC converter products.