Reinvención de la conversión de energía del punto de carga

Pregunte a cualquier arquitecto de sistemas: “¿Cuál es su mayor problema?” La respuesta probable es que los dispositivos que alimentan el sistema ocupan entre el 30 y el 50 % del espacio de la placa, sin mencionar los componentes adicionales de filtrado y supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) que se requieren. En la mayoría de los sistemas electrónicos, desde aplicaciones de consumo hasta centros de datos y productos de redes, la energía sigue siendo una de las principales limitaciones para la reducción de tamaño y altura.

Figura 1. La arquitectura reductora de dos etapas de Murata incluye una bomba de carga seguida de un regulador de conmutación reductora. (Fuente de la imagen: Murata)

Tradicionalmente, los arquitectos de sistemas han dependido de convertidores reductores de punto de carga (POL) para reducir la corriente desde los rieles de bus, como 12 V, hasta las cargas del sistema de energía, como procesadores de núcleo y aplicaciones, productos estándares específicos para los clientes (ASIC) del sistema y memoria. La conversión reductora ha servido bien a la industria durante varias décadas y se ha refinado y mejorado para formar soluciones sólidas y rentables. Sin embargo, para lograr avances reales en la densidad de potencia, los arquitectos de sistemas deben pensar más allá de las mejoras iterativas. Por esta razón, Murata ha presentado un convertidor POL de dos etapas que consta de una bomba de carga seguida de un regulador de conmutación reductor, como se muestra en la Figura 1.

Para muchos, la idea de una arquitectura de dos etapas que proporcione una mejora de la eficiencia puede parecer contradictoria, ya que la eficiencia de las etapas individuales se multiplica. Sin embargo, debido a las innovadoras técnicas de condensadores conmutados, la bomba de carga prácticamente no tiene pérdidas, lo que genera una eficiencia excepcional en la primera etapa de conversión.

Considerando el ejemplo típico de 12 Vin a 1 Vout como se muestra en la Figura 1, la bomba de carga está usando condensadores para dividir el voltaje de entrada por un factor de 3 de 12 V a 4 V. El inductor reductor de segunda etapa ahora está haciendo menos trabajo en la conversión final de carga de 4 V a 1 V. El uso de condensadores es un punto crítico porque los condensadores tienen alrededor de 400 veces la densidad de energía en comparación con los inductores. Las soluciones que dependen del almacenamiento capacitivo resultarán inherentemente en una mayor densidad de potencia. Ahora, el regulador reductor de segunda etapa funciona con un voltaje de entrada bajo de 4 V en lugar de los 12 Vin completos. Esto permite que el reductor utilice transistores de efecto de campo (FET) de bajo voltaje y alta eficiencia que se combinan con un pequeño inductor de salida para crear un regulador reductor altamente eficiente capaz de funcionar a una frecuencia muy alta con una respuesta transitoria rápida.

La Figura 2 ofrece una mirada más cercana al tradicional reductor de una sola etapa en comparación con la arquitectura del reductor de dos etapas.

Figura 2. Un convertidor reductor de una sola etapa tradicional en comparación con un convertidor reductor de dos etapas Murata. (Fuente de la imagen: Murata).

Considere el enfoque del reductor de una sola etapa más tradicional en la Figura 2 para un escenario de 12 Vin a 1 Vout. El nodo Vx (punto medio de los FET) oscila desde el suelo hasta Vin más los picos de energía almacenados en la inductancia de fuga y los parásitos. Este enfoque significa que se requieren FET de mayor voltaje y es probable que la EMI sea un problema debido al rápido cambio de voltaje y al zumbido. El inductor está haciendo todo el trabajo y tiene un valor relativamente alto, lo que afecta en forma negativa la eficiencia y la respuesta transitoria. Además, el FET del lado alto solo está conduciendo durante 1/12 ^del tiempo en el escenario de 12:1 V. Esto conduce a una corriente pulsante muy alta en la entrada que requiere un desacoplamiento adicional para reducir los efectos sobre la EMI conducida. Esta operación de ciclo de trabajo muy bajo también limita la capacidad de funcionar a frecuencias de conmutación muy altas.

Compare este enfoque con la implementación de dos etapas de Murata en la Figura 2. La bomba de carga “reduce” el voltaje en pasos enteros, en este ejemplo, de 12 V a 8 V a 4 V, de modo que cada etapa ve solo 4 V y puede utilizar tecnología FET de bajo voltaje y alta eficiencia. El regulador reductor está realizando el último paso en la conversión de 4:1 V. La mayor parte del trabajo ya ha sido realizado por la bomba de carga capacitiva de primera etapa. Esta arquitectura permite reducir el inductor de segunda etapa, lo que a su vez permite un diseño compacto y de bajo perfil que puede funcionar a altas frecuencias con una excelente respuesta transitoria.

La bomba de carga de la primera etapa se implementa como dos fases que se desfasan en un ciclo de trabajo del 50 %. La reducción de la segunda etapa se acerca a un ciclo de trabajo del 25 %, lo que reduce la corriente de entrada y la corriente pulsante. Ambos factores se combinan para minimizar la ondulación de entrada y el perfil EMI del convertidor. En resumen, la arquitectura de dos etapas de Murata presenta una mejora en eficiencia, tamaño y perfil, y EMI.

Para obtener más información, vea el seminario web de Murata, “Cómo Murata está cambiando el paradigma de la densidad de potencia”.