Uso de inductancias acopladas en convertidores reductores multifásicos para mejorar la eficiencia

Los convertidores reductores multifásicos se utilizan ampliamente en aplicaciones de 12 V como centros de datos, sistemas de inteligencia artificial (IA) e infraestructuras de comunicaciones. Un tema común a todos estos casos de uso es la necesidad de mejorar la eficiencia sin comprometer el rendimiento ni aumentar la huella física.

Un enfoque prometedor es el de los inductores acoplados (CL). Mediante el uso de inductancia mutua entre fases, los CL permiten una cancelación superior del rizado de corriente, lo que se traduce en mejoras significativas de la eficiencia, al tiempo que se preserva la compatibilidad con los diseños convencionales.

En este artículo, se describen brevemente los problemas de eficiencia y diseño a los que se enfrentan los diseñadores de convertidores reductores multifásicos. A continuación, presenta los CL, expone resultados experimentales que validan las mejoras de eficiencia y muestra cómo se aplican en convertidores de Analog Devices.

El reto de la eficiencia de los convertidores reductores multifásicos convencionales

En los sistemas informáticos y de comunicaciones de alto rendimiento, las pérdidas de eficiencia en el suministro de energía pueden repercutir enormemente en el costo, la fiabilidad y la gestión térmica del sistema. Los diseñadores de reductores multifásicos convencionales a menudo se enfrentan a desafíos en este sentido, especialmente en condiciones de carga ligera, en las que las pérdidas por conmutación y CA son más pronunciadas.

Al mismo tiempo, la disposición de las etapas de potencia y las restricciones mecánicas limitan las opciones disponibles para mejorar el rendimiento. En muchos sistemas, hay poco margen para aumentar el tamaño de los componentes, y los cambios en la disposición de la placa de circuito impreso (placa CI) pueden no ser factibles ante las estrategias habituales de huella.

En consecuencia, existe un gran interés por los enfoques que puedan ofrecer una mayor eficiencia sin requerir cambios sustanciales en la arquitectura de potencia. Lo ideal sería que estas soluciones mantuvieran la misma huella, permitieran el uso de la capacitancia de salida (C_O) existente y mantuvieran el rendimiento transitorio en una amplia gama de condiciones de carga.

Los CL responden a estas demandas reduciendo el rizado y mejorando las pérdidas de conmutación, todo ello en el mismo espacio físico que los diseños convencionales.

Cómo mejoran los CL la conversión de potencia

Los CL ofrecen una forma eficaz de mejorar la eficiencia en los convertidores reductores multifásicos sin alterar el diseño. A diferencia de los diseños convencionales que tratan cada fase como eléctricamente independiente, los CL comparten una estructura magnética estándar que permite la interacción entre fases.

Dos parámetros clave rigen esta interacción: la inductancia de fuga (L_k) y la inductancia mutua (L_m). La inductancia de fuga se comporta como la inductancia de fase (L) en los diseños tradicionales, mientras que la inductancia mutua introduce el acoplamiento magnético entre fases. Cuando la corriente aumenta en una fase, induce una tensión en las otras que se opone a su cambio de corriente, lo que produce una importante cancelación de la corriente de rizado.

Las ecuaciones 1 y 2 definen la corriente de rizado esperada para los diseños convencionales de inductor discreto (DL) (dIL_DL) y los diseños CL (dIL_CL). Estas corrientes dependen de las tensiones de entrada y salida (V_IN,V_O), las inductancias L, L_k y L_m, la frecuencia de conmutación (F_S) y una "figura de mérito" (FOM).

 Ecuación 1

 Ecuación 2

Donde:

ρ = el coeficiente de acoplamiento =L_m/L

D = ciclo de trabajo

N_ph = número de fases acopladas

La ecuación 3 establece los cálculos para el FOM. Esta ecuación refleja el grado de cancelación de la ondulación en función de varios parámetros. En concreto, la FOM depende de ρ, N_ph y D.

 Ecuación 3

Donde:

j = suelo (D × N_ph)

Aunque la FOM depende de muchos factores, el coeficiente de acoplamiento ρ desempeña un papel importante. Para ilustrar este punto, es útil considerar un ejemplo práctico.

Evaluación de la corriente de rizado en inductores acoplados

La figura 1 ilustra los valores FOM para una aplicación con un V_IN de 12 V y un V_O de 1 V, con un D de ~0.083 y valores DL convencionales de 100 nanohenrios (nH). Para actualizar este diseño a un CL manteniendo el rendimiento transitorio con el mismo depósito de C_O, el L_k para el CL debe ser de 100 nH. Esto deja a L_m como variable de diseño. Los valores más altos de L_m conducen a un rizado más bajo, pero un L_m conservador de 260 nH es suficiente para lograr la mayoría de los beneficios deseados.

Figura 1: Se muestran los valores FOM de un CL de 4 fases para diversos valores de L_m/L_k en función de D; la región de interés aparece resaltada. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Incluso con este diseño bastante conservador, la reducción del rizado es suficiente para permitir frecuencias de conmutación más bajas. Esto se ilustra en la Figura 2, que compara el rizado de corriente para distintas configuraciones de inductor y frecuencias de conmutación. El gráfico demuestra que un CL que funciona a 400 kilohercios (kHz) mantiene un rizado menor que un diseño convencional a 800 kHz.

Figura 2: Ondulación de corriente para DL = 100 nH (800 kHz) y CL = 4 × 100 nH (800 kHz, 400 kHz) para V_IN = 12 V en función de V_O. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La frecuencia de conmutación reducida se traduce directamente en menores pérdidas de conmutación, que incluyen las pérdidas de conmutación del transistor, las pérdidas de tiempo muerto en los diodos de cuerpo del MOSFET, las pérdidas de recuperación inversa y las pérdidas de accionamiento de la puerta. Estas pérdidas dependientes de la frecuencia disminuyen proporcionalmente a medida que se reduce la frecuencia de conmutación, lo que se traduce en mejoras sustanciales de la eficiencia.

Las ganancias de eficiencia son más visibles con cargas ligeras, donde las pérdidas de CA son más prominentes debido a su naturaleza fija, independientemente de la corriente de salida. Sin embargo, las ventajas se extienden a toda la gama de cargas. La figura 3 muestra los resultados experimentales comparando un sistema de 8 fases con inductores acoplados a 400 kHz frente a un diseño convencional a 600 kHz, demostrando aproximadamente 1% de mejora en la eficiencia máxima y 0.5% de mejora a plena carga.

Figura 3: Se muestra una comparación de la eficiencia medida de los diseños de 8 fases DL = 100 nH (curvas discontinuas) y 2 × CL = 4 × 100 nH (curvas continuas) con una huella común. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Mejora de la eficiencia sin sacrificar la respuesta transitoria

Cabe destacar que estas mejoras de eficiencia se consiguen sin comprometer el rendimiento transitorio. La figura 4 ilustra el comportamiento transitorio de un convertidor reductor de 4 fases, comparando las formas de onda de un diseño de 8 fases con inductores discretos (DL = 100 nH a 600 kHz) y una configuración que utiliza dos CL, cada uno de los cuales da servicio a 4 fases (2 × CL = 4 × 100 nH a 400 kHz) con V_IN = 12 V, V_O = 0.9 V para pasos de carga de 135 A. Al usar la misma velocidad de giro de corriente y C_O se obtienen respuestas transitorias comparables.

Figura 4: Se muestra el transitorio para DL de 8 fases = 100 nH (600 kHz) y 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) para V_IN = 12 V, V_O = 0.9 V para pasos de carga de 135 A; misma placa, mismo C_O, mismas condiciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Aunque la menor frecuencia de conmutación del CL podría reducir típicamente el ancho de banda de realimentación, dos factores contrarrestan esta limitación: las ventajas inherentes de la arquitectura multifásica y el margen de fase mejorado que proporciona el diseño acoplado. Esta mejora del margen de fase se produce porque todas las corrientes de fase acopladas responden simultáneamente cuando el ciclo de trabajo cambia en respuesta a un evento transitorio en una fase.

Unas pérdidas menores se traducen en un mejor rendimiento térmico, lo que a su vez puede aumentar la fiabilidad a largo plazo y reducir potencialmente las necesidades de refrigeración en sistemas con limitaciones térmicas. Todas estas ventajas se consiguen manteniendo la compatibilidad con los diseños existentes.

Selección de componentes para convertidores reductores multifásicos

Para implementar un convertidor reductor multifásico eficiente, la atención puede centrarse en tres componentes clave: el controlador del regulador de tensión, el circuito integrado (CI) de la etapa de potencia y el CL. El controlador gestiona la temporización y sincronización de fases, la etapa de potencia se encarga de la conmutación de alta corriente y el CL permite la cancelación del rizado, lo que mejora la eficiencia.

Para el controlador, el MAX16602GGN+T de Analog Devices (Figura 5) es una elección sólida. Presentado en un encapsulado 56-QFN (7 mm × 7 mm), este dispositivo admite un carril de 8 fases y un carril monofásico independiente. Entre sus características destacan la eliminación autónoma de fases, la telemetría vía PMBus, la protección y registro de fallos integrados y un regulador de polarización interno de 1.8 V. Estas características permiten un control preciso, un menor número de componentes y una respuesta transitoria mejorada en sistemas reguladores de tensión multifásicos.

Figura 5: El controlador regulador de tensión MAX16602GGN+T admite hasta 8 fases. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La etapa de potencia puede implementarse utilizando el MAX20790GFC+T de Analog Devices (Figura 6). Esta etapa de potencia inteligente integra MOSFET, controladores de puerta y detección de corriente en un único dispositivo de encapsulado 12-FC2QFN (3.25 × 7.4 mm). Al funcionar en un rango de frecuencias de conmutación de 300 kHz a 1.3 megahercios (MHz), permite a los diseñadores optimizar el rendimiento de los diseños CL. Entre sus principales funciones se incluyen la telemetría y la notificación de fallos a través del PMBus del controlador, así como funciones avanzadas de autoprotección.

Figura 6: La etapa de potencia inteligente MAX20790GFC+T integra MOSFET, controladores de puerta y detección de corriente en un solo dispositivo. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Un ejemplo de CL adecuado es el CLB1108-4-50TR-R de Eaton (Figura 7), que integra cuatro fases de 50 nH estrechamente acopladas en un único encapsulado. La construcción del componente admite una corriente de saturación y un rendimiento térmico elevados, lo que lo hace idóneo para las exigentes cargas de trabajo de IA y centros de datos.

Figura 7: El CLB1108-4-50TR-R es un inductor acoplado de 4 x 50 nH. (Fuente de la imagen: Eaton)

En una configuración típica, el controlador MAX16602 supervisaría hasta ocho etapas de potencia MAX20790, con cada fase de salida conectada al devanado correspondiente de un CL doble de 4 fases. En comparación con los diseños convencionales, esta arquitectura ofrece mejoras apreciables en la eficiencia energética, manteniendo el mismo espacio físico y el mismo rendimiento transitorio.

Comprobación de diseños de inductores acoplados con hardware de evaluación

Para los diseñadores que deseen explorar soluciones CL, el kit de evaluación MAX16602CL8EVKIT# de Analog Devices (Figura 8) ofrece una cómoda plataforma para pruebas y desarrollo. Esta placa está diseñada específicamente para demostrar las capacidades del controlador MAX16602 y los circuitos integrados de etapa de potencia MAX20790 junto con inductores acoplados.

Figura 8: El MAX16602CL8EVKIT# puede utilizarse para explorar diseños de convertidores reductores multifásicos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El kit de evaluación es un diseño de referencia práctico que demuestra cómo integrar eficazmente estos componentes. Incluye toda la circuitería necesaria para soportar una solución de conversión de potencia de 8 fases e incorpora puntos de medición exhaustivos que permiten supervisar parámetros clave como la respuesta transitoria.

Conclusión

Los CL ofrecen ventajas significativas para los diseños de convertidores reductores multifásicos. Al introducir inductancia mutua entre las fases, estos componentes permiten una cancelación sustancial de la corriente de ondulación, lo que permite reducir la frecuencia de conmutación y mejorar la eficiencia global. Y lo que es más importante, estas mejoras pueden lograrse sin aumentar la huella física ni comprometer el rendimiento transitorio. Combinadas con chipsets de controladores y etapas de potencia, estas soluciones ofrecen una vía práctica para que los diseñadores pasen de las topologías convencionales a alternativas más eficientes acopladas magnéticamente.