Utilice reguladores de conmutación de baja EMI para optimizar los diseños de energía de alta eficiencia

Para los diseñadores que implementan un sistema de energía distribuido o a batería, a menudo se trata de usar un regulador de baja caída (LDO) o un regulador de conmutación. Los reguladores de conmutación ofrecen una mayor eficiencia, algo que siempre es bueno, especialmente para productos que funcionan a batería. La desventaja clave es la EMI de los transistores de conmutación rápida de la fuente de alimentación, un problema que puede ser cada vez más problemático en diseños altamente integrados y compactos.

Los circuitos de filtro de entrada y salida mitigan los efectos de la EMI, pero aumentan el costo, el espacio del circuito y la complejidad. Estos problemas están siendo abordados por una nueva generación de reguladores de conmutación modulares integrados que ofrecen diversas técnicas integradas para limitar la EMI sin comprometer el rendimiento o la eficiencia del regulador.

Este artículo describe brevemente las ventajas de los reguladores de conmutación en diseños portátiles y la importancia de los circuitos de filtro. Luego presenta ejemplos de reguladores de conmutación con filtros EMI integrados de Allegro Microsystems, Analog Devices y Maxim Integrated, y cómo se pueden usar para simplificar el suministro de energía.

¿Por qué usar reguladores de conmutación en diseños portátiles?

La alta eficiencia, la baja disipación de potencia (lo que facilita los desafíos de gestión térmica) y la alta densidad de energía son las razones clave para seleccionar un regulador de conmutación en lugar de un LDO. La eficiencia de los módulos reguladores de conmutación comerciales (es decir, la potencia de salida/potencia de entrada x 100) está típicamente alrededor del 90% al 95% en la mayor parte del rango de carga, mucho mejor que el de un LDO equivalente. Además, los reguladores de conmutación son más flexibles que los LDO porque son capaces de aumentar, reducir e invertir los voltajes.

El corazón de un regulador de conmutación es un elemento de conmutación de modulación de PWM (ancho de pulso) que comprende uno o dos MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal) emparejados con uno o dos inductores para el almacenamiento de energía. La frecuencia de funcionamiento del regulador determina el número de ciclos de conmutación por unidad de tiempo, mientras que el ciclo de trabajo de la señal PWM (D) determina el voltaje de salida (de V_OUT = D × V_IN).

Si bien su alta eficiencia es una ventaja en los diseños portátiles, los reguladores de conmutación presentan una serie de desventajas; entre ellas se incluyen el costo, la complejidad, el tamaño, la respuesta lenta a los transitorios de carga y la baja eficiencia a bajas cargas, aunque esto último está mejorando. El otro gran desafío de diseño es lidiar con la EMI generada por la conmutación de los transistores de potencia. La conmutación provoca una sobrecresta de voltaje y corriente en otras partes del circuito que genera voltaje de entrada y salida y ondulación de corriente, y picos de energía transitorios a la frecuencia de conmutación (y sus múltiplos). La ondulación de voltaje alcanza su punto máximo al final del período "encendido" de PWM (Figura 1).

Figura 1: Un rastro de la ondulación del voltaje de salida de un regulador de voltaje de conmutación muestra los picos transitorios que son una fuente importante de EMI. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Administrar EMI

Una forma comprobada de reducir la EMI causada por la conmutación FET de potencia en un regulador es agregar circuitos amortiguadores de resistencia-condensador (RC) a las entradas y salidas. Estos circuitos ayudan a filtrar los picos de energía y atenuar la ondulación de voltaje y corriente, y a su vez, la EMI. Un buen objetivo para una fuente de alimentación conmutada bien diseñada con una salida de 2 a 5 voltios es una ondulación de voltaje de pico a pico de entre 10 a 50 mV y picos transitorios mínimos.

La selección de los componentes para los circuitos de filtro, especialmente los condensadores a granel de entrada y salida, es un asunto complicado que involucra las desventajas del tamaño y costo de los componentes (y el impacto en la respuesta transitoria del regulador y la compensación de bucle) contra el voltaje de pico a pico y ondulación actual y la mitigación de la EMI.

Un buen lugar para comenzar es recurrir a algunas técnicas establecidas basadas en ecuaciones clave. La ondulación del voltaje de entrada comprende ΔV_Q (generado por la descarga del condensador de entrada) y ΔV_ESR (generado por la ESR [resistencia equivalente en serie] del condensador de entrada). Para una ondulación de voltaje pico a pico máxima especificado en la entrada, es posible estimar la capacitancia de entrada requerida (C_IN) y la ESR del condensador a granel a partir de la Ecuación 1 y la Ecuación 2, respectivamente:

Ecuación 1

Y:

Ecuación 2

Donde:

I_LOAD(MAX) es la corriente de salida máxima

ΔI_p-p es la corriente inductora de pico a pico

V_IN es el voltaje de alimentación de entrada

V_OUT es el voltaje de alimentación de salida

f_SW es la frecuencia de conmutación

De manera similar, para una ondulación de voltaje pico a pico máximo especificado en la salida, la capacitancia y la ESR del condensador a granel se pueden determinar a partir de la Ecuación 3 y la Ecuación 4, respectivamente:

Ecuación 3

Y:

Ecuación 4

Es importante tener en cuenta que ΔV_ESR y ΔV_Q no son directamente aditivos ya que están desfasados entre sí. Si un diseñador selecciona condensadores cerámicos (que generalmente tienen baja ESR), entonces ΔV_Q domina. Si la elección es para condensadores electrolíticos, entonces ΔV_ESR domina.

Los valores seleccionados de capacitancia de salida y ESR también están influenciados por la desviación aceptable del voltaje de salida de la salida deseada durante transitorios de carga rápida. Específicamente, el capacitor de salida debe ser capaz de soportar la corriente de carga durante el transitorio hasta que el controlador del regulador responda aumentando el ciclo de trabajo PWM. Para calcular la capacitancia de salida requerida y la ESR para una desviación de salida mínima durante un paso de carga, use la Ecuación 5 y la Ecuación 6, respectivamente:

Ecuación 5

Y:

Ecuación 6

Donde:

I_STEP es el paso de carga

t_RESPONSE es el tiempo de respuesta del controlador

Pero si bien estos cálculos ayudan a perfeccionar la selección de componentes apropiados para gestionar las ondas de voltaje y corriente y los picos transitorios, el diseñador también debe tener en cuenta la disipación de potencia en el condensador (P_CAP). Esto se puede calcular a partir de:

Donde I_RMS es la corriente de ondulación de entrada de RMS.

Esta ecuación muestra que para un ESR dado, el aumento de la temperatura interna es proporcional al cuadrado de la corriente de ondulación. Si el dispositivo se utiliza para atenuar una gran corriente de ondulación, podría calentarse notablemente, y si ese calor no se puede irradiar rápidamente, el electrolito del condensador se evaporará gradualmente y su rendimiento disminuirá hasta una eventual falla. Para evitar este resultado, el ingeniero debe seleccionar un dispositivo más grande y costoso con un área de superficie mayor para alentar la disipación de calor de lo que de otra manera se requeriría.

Opciones de regulador de baja EMI

Si bien el filtrado de entrada y salida puede mitigar la ondulación de voltaje y corriente, es una buena práctica de diseño seleccionar un regulador de conmutación que cumpla con las especificaciones mientras se minimiza la altura de rizo pico a pico. Al hacerlo, se puede reducir la tensión en los condensadores del filtro debido a la disipación de potencia, lo que permite el uso de dispositivos más pequeños y menos costosos.

Una técnica para minimizar el voltaje y la ondulación de la corriente es emplear un esquema de control en modo de voltaje. En este esquema, la señal PWM se genera aplicando un voltaje de control a una entrada del comparador y un voltaje de diente de sierra generado por el reloj (o "rampa PWM") de frecuencia fija a la otra. La técnica es mejor para minimizar la EMI que el esquema de control alternativo en modo actual, que es propenso a exacerbar la EMI, ya que el ruido de la etapa de potencia generalmente llega al circuito de retroalimentación de control. (Ver el artículo de biblioteca de DigiKey Control en modos de voltaje y de corriente para la generación de señales PWM en reguladores de conmutación CC-CC).

Además de considerar el control del modo de voltaje, varios proveedores de silicio ofrecen una serie de enfoques para ayudar a reducir internamente la magnitud del voltaje y la ondulación de la corriente. Un ejemplo es el convertidor reductor A8660 de Allegro Microsystems. Este es un dispositivo de alta gama con calificación automotriz AEC-Q100. El regulador opera desde una entrada (V_IN) de 0.3 a 50 voltios y ofrece un rango de voltaje de salida ajustable de 3 a 45 voltios. El dispositivo presenta una frecuencia base programable (f_OSC) de 200 kilohercios (kHz) a 2.2 megahercios (MHz). El A8660 también ofrece una gama de características de protección que incluyen una recuperación suave de una caída para eliminar una sobrecresta de V_OUT y un impulso parásito de voltaje no deseado.

La clave para la capacidad del regulador de minimizar la EMI es una técnica llamada interpolación de frecuencia base PWM. Cuando se activa, un "barrido de oscilación" establecido internamente cambia sistemáticamente f_OSC en ±10%, extendiendo la energía alrededor de la frecuencia de conmutación. La frecuencia de modulación de oscilación (f_MOD) barre un patrón triangular que funciona a 12 kHz.

En la Figura 2 se muestra una comparación de las emisiones conducidas y radiadas del A8660 con la oscilación activada y desactivada. Los componentes externos y el diseño de la placa CI de las dos configuraciones de prueba son idénticos.

Figura 2: Comparación de las emisiones radiadas de un regulador de conmutación que utiliza una frecuencia base fija (rojo) con un regulador que emplea oscilación de frecuencia (azul). Parámetros operativos: f_OSC = 2.2 MHz, V_IN = 12 voltios, V_OUT = 3.3 voltios, carga = 3 amperios (A). (Fuente de la imagen: Allegro MicroSystems).

Para los diseños que usan una frecuencia de operación por debajo de la banda de radio AM (f_OSC <520 kHz), la entrada de sincronización del A8660 se puede usar para cambiar f_OSC y sus armónicos para minimizar aún más la EMI. Esto se hace conectando un reloj externo al pin SYNC_IN y aumentando la frecuencia base del A8660 de 1.2 a 1.5 × f_OSC.

El controlador síncrono buck/boost LT8210IFE de Analog Devices también presenta un esquema de modulación de frecuencia triangular. En este caso, el LT8210IFE extiende lentamente f_SW entre la frecuencia nominal establecida al 112.5% de ese valor y viceversa.

Además, el dispositivo ofrece "Pass-Thru" que suspende la conmutación, lo que ayuda a reducir la EMI y aumentar la eficiencia al eliminar las pérdidas de conmutación. El regulador tiene un rango de entrada de 2.8 a 100 voltios con una salida de 1 a 100 voltios. La precisión del voltaje de salida es de ±1.25% y tiene una protección de entrada inversa de hasta -40 voltios.

Cuando se activa el modo Pass-Thru, los bucles de regulación buck y boost del regulador funcionan de manera independiente. Se utilizan amplificadores de error separados para crear la ventana Pass-Thru configurando el voltaje de salida programado para la regulación de inversión, V_{OUT (BUCK)}, más alto que el voltaje de salida programado para boost, V_{OUT (BOOST)}. Se muestra el impacto del modo Pass-Thru en la ondulación del voltaje de salida (Figura 3).

Figura 3: En el modo Pass-Thru, el regulador LT8210 ofrece ondulación de voltaje de salida reducida (trazo azul) desde una fuente de entrada ruidosa (trazo rojo). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Cuando V_IN está entre V_{OUT (BOOST)} y V_{OUT (BUCK)}, el voltaje de salida sigue la entrada. Una vez que V_{OUT se} ha establecido cerca de V_IN, el LT8210 entra en un estado de baja potencia (Pass-Thru) donde los interruptores A y D se encienden continuamente y los interruptores B y C se apagan. Si V_OUT excede V_IN en un porcentaje establecido, los interruptores A, C y D se apagan y la salida solo se vuelve a conectar después de haberse descargado para ser casi igual a V_IN. Si se produce un transitorio de línea positiva mientras se encuentra en la ventana Pass-Thru (sin conmutación), haciendo que V_IN supere a V_OUT en un porcentaje establecido, la conmutación se reiniciará para evitar que suene una gran amplitud en la corriente del inductor. La salida será conducida al voltaje de entrada de manera similar a un arranque suave, y los interruptores A y D se encenderán continuamente de nuevo después de que V_{OUT se} estabilice cerca de V_IN. La Figura 4 muestra la topología de conmutación.

Figura 4: Los interruptores del regulador LT8210. En el modo Pass-Thru, los interruptores A y D se encienden continuamente y los interruptores B y C están apagados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La oferta de baja EMI de Maxim Integrated es el regulador de conmutación de reducción MAX15021ATI+T. Opera desde una entrada de 2.5 a 5.5 voltios y tiene dos salidas, cada una de las cuales se puede ajustar desde 0.6 voltios hasta la magnitud de la fuente de entrada. La frecuencia base del regulador se puede ajustar de 500 kHz a 4 MHz utilizando una sola resistencia.

Además de admitir un esquema de control de modo de voltaje para ayudar a limitar la ondulación de voltaje, el MAX15021 permite la operación de los reguladores utilizando un reloj desfasado de 180° (Figura 5). Junto con la opción de cambiar a frecuencias de hasta 4 MHz, dicha capacidad reduce significativamente la corriente de ondulación de entrada RMS. La reducción de corriente de entrada pico resultante (y el aumento en la frecuencia de ondulación) reduce la cantidad requerida de capacitancia de derivación de entrada y, por lo tanto, el tamaño del capacitor requerido.

Figura 5: Los reguladores duales del MAX15021 funcionan 180° fuera de fase para limitar la EMI. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Conclusión

Los reguladores de conmutación modulares son una buena opción para la regulación de voltaje cuando la alta eficiencia es primordial. Sin embargo, las desventajas en comparación con soluciones alternativas como LDO incluyen el voltaje y la ondulación de corriente, así como los picos de voltaje transitorios generados por los elementos de conmutación en el regulador. Sin filtro, este ruido puede provocar EMI que puede alterar los chips sensibles cerca del regulador.

Las técnicas de diseño establecidas, como el uso de circuitos de filtro de entrada y salida, pueden atenuar la EMI, pero requieren condensadores grandes para lidiar con grandes picos y ondas transitorias. Estos también pueden disipar mucha potencia, lo que puede conducir a un sobrecalentamiento de los componentes.

En cambio, los ingenieros ahora tienen acceso a una nueva generación de reguladores de conmutación modulares con capacidades incorporadas para reducir la ondulación de voltaje y corriente, y picos transitorios para ayudar a limitar la EMI incluso antes de que se hayan agregado los circuitos de filtro. Utilizando estos reguladores en sus diseños, los ingenieros pueden reducir las dimensiones de los condensadores a granel de entrada y salida y disminuir el tamaño y el costo de los circuitos de filtro.