Aumente la eficiencia y reduzca el ruido de los circuitos regulados de CC

Una forma de proporcionar un voltaje de entrada a un motor de corriente continua (CC) de 24 voltios es conectar un suministro nominal de 24 voltios a sus terminales y accionar el interruptor de "encendido". El motor funcionará perfectamente. Pero el problema con un suministro de voltaje nominal es justamente ese; podría, por ejemplo, subir a 38 voltios o bajar a 15 voltios. Aunque la fluctuación de voltaje de este tipo podría no dañar un dispositivo relativamente resistente como un motor de CC, sí afectaría su rendimiento. No se puede decir lo mismo de las aplicaciones sensibles de automoción, aviónica o telecomunicaciones. En estos productos, y en muchos otros, las subtensiones o sobretensiones podrían causar daños permanentes.

Otro problema es que el suministro de entrada no coincida con el que necesita el motor de CC. Por ejemplo, un voltaje de suministro de CC común es de 48 voltios. Conectar eso directamente a un motor de 24 voltios acabará mal.

Un regulador de voltaje de CC nos ofrece una solución sencilla. Como su nombre lo indica, el dispositivo puede mantener una salida estrictamente regulada desde una entrada variable (dentro de ciertos umbrales). Incluso si la entrada varía entre 38 y 15 voltios, el regulador proporcionará una salida constante de 24 voltios con solo unos pocos puntos porcentuales en cada sentido. Los reguladores de voltaje por suerte también pueden proporcionar una salida diferente del voltaje de entrada, lo que nos permite alimentar de manera segura nuestro motor de 24 voltios desde un suministro de 48 voltios.

El poder de la regulación de voltaje

Existen muchas opciones comerciales para la regulación de voltaje. La más simple es el regulador lineal de caída baja (LDO). Un LDO es fácil de diseñar y requiere pocos componentes externos; también es relativamente económico y compacto. Una desventaja notable es que el dispositivo solo puede proporcionar una salida inferior a la entrada. Esto no nos ayudaría cuando nuestro suministro de 24 voltios caiga por debajo de su valor nominal.

La otra posible desventaja de los LDO es la baja eficiencia. El dispositivo utiliza esencialmente una red divisoria de resistencias para regular el voltaje, de modo que cuanto mayor sea la diferencia entre los voltajes de entrada y salida, mayor será la disipación de potencia interna y mayor será el aumento de temperatura. Si usáramos un LDO para, por ejemplo, regular un suministro de 48 voltios a 24 voltios, el regulador funcionaría con una eficiencia de alrededor del 50 %. En una época en la que buscamos conservar la energía siempre que podamos, no es aceptable este derroche (Figura 1).

Figura 1: La eficiencia de un LDO es proporcional a la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Mejorar el LDO

Los reguladores de conmutación aportan una mayor eficiencia a la tarea de regulación de voltaje. Los principios de funcionamiento son complejos, pero la regulación se logra esencialmente mediante la conmutación de alta frecuencia de pares de transistores para cargar periódicamente uno o más inductores, que luego disipan su energía a la carga, lista para cargarse nuevamente en el siguiente ciclo. A diferencia de un LDO, la regulación de voltaje no se logra dividiendo el voltaje de entrada mediante una red de resistencias. De este modo, se elimina efectivamente la mayor parte de las ineficiencias asociadas con el dispositivo lineal.

Como resultado, si usáramos un regulador de conmutación moderno para suministrar 24 voltios desde una entrada de 48 voltios, podríamos esperar razonablemente que lo hiciera con una eficiencia muy superior al 90 % (dentro de algunas limitaciones de diseño). Mejor aún, los reguladores de conmutación pueden aumentar (“elevar”) y disminuir (“reducir”) los voltajes de entrada. Muchos dispositivos pueden hacer ambas cosas con cambios fluidos entre los dos modos. Incluso si el voltaje de entrada oscila entre niveles bajos y altos, el regulador suministrará eficientemente 24 voltios constantes para mantener nuestro motor de CC funcionando (Figura 2).

Figura 2: La forma más simple de un regulador de voltaje reductor/elevador de conmutación comprende un transistor, dos diodos, un inductor y un condensador. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Hay algunas desventajas de los reguladores de conmutación. Son complejos, costosos y requieren muchos componentes externos que no solo ocupan espacio, sino que también requieren habilidades de diseño bastante avanzadas para seleccionarlos adecuadamente. Quizás el mayor desafío venga de toda esa conmutación de alta frecuencia. Esta conmutación no solo genera interferencia electromagnética (EMI), sino que también puede impartir una ondulación perceptible en el voltaje de salida. Ambas pueden mitigarse, pero no eliminarse, mediante circuitos de filtrado bien diseñados.

Impulsar la eficiencia

Si bien los reguladores de conmutación demuestran una excelente eficiencia, no son perfectos. Las principales fuentes de consumo de energía son las pérdidas de CC mientras los transistores conducen y las pérdidas de conmutación cuando cambian de estado. Los fabricantes han incorporado trucos inteligentes en sus productos para mejorar la eficiencia cuando funcionan en determinados modos. Por ejemplo, el modo de conducción discontinua (DCM) evita que la corriente del inductor del regulador invierta la dirección a corrientes de salida bajas. Esto ayuda a mejorar la eficiencia de las cargas ligeras.

Los reguladores de voltaje de conmutación actuales regulan incluso cuando realmente no lo necesitan y, en el proceso, gastan energía improductiva. Pero hay un truco que hasta ahora ha sido poco utilizado. Considere el ejemplo de un motor de CC de 24 voltios alimentado con un suministro nominal de 24 voltios. Si bien hemos visto que el suministro puede variar considerablemente, habrá muchas ocasiones en las que esté a 24 voltios, o al menos muy cerca de eso. Podríamos dejar de regular el voltaje cuando esto suceda y así mejorar la eficiencia eliminando las pérdidas de conducción y conmutación, así como otras pérdidas de energía en las que incurre el regulador.

Esta es una técnica comercializada por Analog Devices con su modo Pass-Thru. Esto se ha incorporado en productos como el regulador reductor-elevador LT8210EFE (Figura 3). El regulador convierte una entrada de 2.8 a 100 voltios en una salida de 1 a 100 voltios y cuenta con dos pares de transistores de lado alto y bajo.

Figura 3: En el modo Pass-Thru, el voltaje de entrada fluye por el LT8210 a través de los transistores del lado alto permanentemente encendidos. La eficiencia es muy alta y no se genera ruido. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En el modo Pass-Thru, los dos interruptores del lado alto del dispositivo están permanentemente encendidos, lo que permite que el suministro de voltaje no regulado fluya directamente a través del dispositivo, mientras que los dos interruptores del lado bajo están permanentemente apagados. Dependiendo de las corrientes y voltajes que pasan por el regulador, son posibles eficiencias cercanas al 100%. Mejor aún, no se genera ninguna EMI ni fluctuación del voltaje de salida mientras Pass-Thru está en funcionamiento.

Mantener las cosas frescas

Puede configurar la región Pass-Thru del LT8210 programando los umbrales de regulación alto y bajo. Por ejemplo, es posible que necesite una salida nominal de 12 voltios para su carga, pero sepa que puede tolerar con seguridad un voltaje no regulado de entre 8 y 16 voltios. Por lo tanto, puede configurar el modo Pass-Thru para ese rango y beneficiarse de una eficiencia muy alta cuando esto ocurra. Para cualquier voltaje de suministro inferior a 8 voltios, el regulador se encenderá para aumentar el voltaje hasta 8 voltios, y para cualquier voltaje superior a 16 voltios, se encenderá para reducirlo a 16 voltios (Figura 4).

Figura 4: La región Pass-Thru se puede programar en el LT8210. Así, la regulación solo se produce fuera de esta región. Observe el aumento de la eficiencia durante el funcionamiento en la región Pass-Thru. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Analog Devices también suministra una práctica placa de demostración, la DC2814A-C, que se basa en el LT8210. La placa opera desde una entrada de 26 a 80 voltios y proporciona una salida de 36 a 56 voltios, hasta una corriente máxima de 2 amperios (A). La placa puede utilizarse para mostrar los beneficios de Pass-Thru en parámetros, como la temperatura de los componentes (Figura 5, a y b).

Figura 5: Se muestra el perfil de temperatura de la placa de demostración DC2814A-C (superior, [a]) cuando se regula una entrada de 60 voltios hasta una salida de 56 voltios con una corriente de carga de 2 A. Se muestra la misma placa de demostración (inferior, [b]) cuando se opera en modo Pass-Thru con un suministro de 45 voltios y una corriente de carga de 2 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Los reguladores de conmutación son una excelente opción para la regulación de voltaje cuando es importante una alta eficiencia. Pero igual consumen algo de energía y el ruido de conmutación puede ser un desafío. Se pueden lograr importantes ganancias de eficiencia y un funcionamiento sin ruido aprovechando la función Pass-Thru de Analog Devices. Cuanto más tolerante sea la carga a las fluctuaciones de voltaje, mayores serán las ganancias potenciales.