Configuración de reguladores μModule reductor-elevador de cuatro interruptores para aplicaciones versátiles: salida elevadora, reductora o inversora

Muchas aplicaciones de conversión de potencia deben ser compatibles con amplios rangos de tensión de entrada o de salida. Analog Devices ha presentado el LTM4712, un módulo de potencia reductor-elevador de cuatro interruptores, totalmente integrado, de alta corriente y alta eficiencia, destinado a este tipo de aplicaciones. Integra el controlador, los MOSFET, el inductor de potencia y los capacitores en un avanzado encapsulado 3D, lo que permite un diseño compacto y un rendimiento sólido. Este regulador μModule ofrece una elevada densidad de potencia, una eficiencia excepcional y un excelente rendimiento térmico en un amplio rango de tensiones de entrada y salida.

Este artículo destaca además su versatilidad y demuestra su capacidad para funcionar en diversas topologías, entre las que se incluyen las configuraciones buck (reductora), boost (elevadora) y buck-boost (reductor-elevador) inversa para aplicaciones con salida negativa.

Utilización de la topología reductor-elevador de cuatro interruptores como regulador reductor

ADI ha presentado varios reguladores reductores μModule de 40 V. La figura 1 muestra los reguladores disponibles capaces de soportar una corriente de carga máxima superior a 4 A. Sin embargo, estos reguladores reductores presentan limitaciones en cuanto a su rango de tensión y corriente. Al utilizar el LTM4712 como convertidor reductor, es posible ampliar considerablemente el rango de funcionamiento, lo que simplifica el diseño del sistema para los clientes.

Figura 1: Reguladores µModule reductores de 40 V_IN (>4 A). (Fuente de la imagen: ADI)

El convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores puede configurarse sin dificultad como un convertidor elevador sin necesidad de realizar ningún ajuste especial. Cuando V_IN > V_OUT, el controlador interno mantiene el FET de potencia M3 desactivado y el M4 activado de forma continua. M1 y M2 regulan la salida, funcionando como un convertidor reductor estándar, tal y como se ilustra en la figura 2.

Figura 2: Uso del LTM4712 como regulador reductor. (Fuente de la imagen: ADI)

En comparación con el regulador reductor anterior, el LTM4613, el LTM4712 alcanza una eficiencia energética superior, a pesar de la pérdida por conducción adicional que introduce el M4, tal y como se muestra en la figura 3. Esta mejora ha sido posible gracias a los avances en las tecnologías de los MOSFET y los inductores.

Figura 3: Comparación de la eficiencia y la capacidad de corriente en modo "reductor" entre el LTM4613 y el LTM4712: (a)eficiencia con V_OUT y (a) eficiencia con 12 V_OUT y (Fuente de la imagen: ADI)

La comparación térmica sin refrigeración forzada, que se muestra en la Tabla 1, pone de relieve la ventaja en cuanto a eficiencia del convertidor reductor-elevador. A pesar de proporcionar una potencia considerablemente mayor que el regulador reductor, el LTM4712 funciona a una temperatura más baja y ocupa un espacio similar.

Tabla 1: Comparación del rendimiento térmico en modo reductor, T_A = +25 °C, sin refrigeración forzada.

Utilización del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores como regulador elevador

Tal y como se muestra en la figura 4, ADI ha lanzado anteriormente un regulador μModule elevador de 40 V. Si bien el LTM4656 admite una corriente máxima de 4 A, el convertidor reductor-elevador de cuatro conmutadores, recientemente lanzado al mercado, puede soportar una corriente de carga mayor cuando funciona como regulador elevador.

Figura 4: Las familias de reguladores elevadores ADI de 40 V. (Fuente de la imagen: ADI)

Cuando se utiliza el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores en aplicaciones en las que V_IN < V_OUT, el interruptor interno M1 permanece activado, mientras que M2 permanece desactivado. M3 y M4 regulan de forma natural la tensión de salida, al igual que un convertidor elevador típico, tal y como se muestra en la figura 5. A diferencia de los convertidores elevadores estándar, que carecen de protección contra cortocircuitos en la salida, el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores ofrece una protección inherente contra cortocircuitos. Si la salida se pone en cortocircuito a tierra, M1 y M2 comienzan a conmutar como un convertidor reductor, limitando la corriente que fluye de la entrada a la salida. La corriente máxima de cortocircuito queda limitada por la resistencia R_SENSE situada en las rutas de entrada o salida, o bien por el límite de corriente máxima del inductor, el que sea menor. Además, durante la fase inicial de aumento rápido de V_IN, un convertidor elevador convencional suele presentar una corriente de arranque elevada y no controlada a través del diodo elevador para cargar C_OUT. Dado que el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores siempre arranca en modo reductor cuando V_OUT es bajo, su corriente de arranque de entrada se controla y se limita rigurosamente mediante el arranque suave de la corriente del inductor. En resumen, el circuito reductor-elevador de cuatro interruptores ofrece un convertidor elevador más fiable que un regulador elevador convencional.

Figura 5: Uso del LTM4712 como regulador elevador con protección integrada contra cortocircuitos en la salida. (Fuente de la imagen: ADI)

En la figura 6 y la tabla 2 se comparan la eficiencia, la capacidad de potencia y el rendimiento térmico entre el regulador μModule reductor-elevador de cuatro conmutadores y el regulador μModule elevador. El primer dispositivo destaca por su eficiencia superior, su mayor capacidad de conducción de corriente y un rendimiento térmico notablemente mejor. Ambos reguladores tienen las mismas dimensiones: 16 x 16 mm.

Figura 6: Comparación de la eficiencia y la capacidad de corriente en modo "elevador" entre el LTM4712 y el LTM4656: (a)eficiencia con V_OUT de 24 y (b) eficiencia con V_OUT de 36. (Fuente de la imagen: ADI)

Tabla 2: Comparación del rendimiento térmico en modo elevador, T_A = +25 °C, sin refrigeración forzada.

Utilización del regulador reductor-elevador de cuatro interruptores como regulador reductor-elevador inversor para una tensión de salida negativa

Al igual que los convertidores reductores estándar, el convertidor reductor-elevador de cuatro conmutadores también puede configurarse en una topología reductor-elevador inversora para aplicaciones de salida negativa. Tal y como se muestra en la figura 7, M1 y M2 se activan de forma complementaria, mientras que M3 permanece desactivado y M4 activado durante esta operación. Tenga en cuenta que la tensión máxima, V_MAX = |V_IN| + |V_OUT|, debe ser inferior a 40 V, que es la tensión nominal máxima del dispositivo. La magnitud de la corriente continua que atraviesa el inductor, I_L, viene dada por I_L = I_OUT/(1 - D), donde D es el ciclo de trabajo de la rama de fase formada por M1 y M2, y M1 es el interruptor primario.

Figura 7: El LTM4712 configurado como regulador reductor-elevador inversor. (Fuente de la imagen: ADI)

La figura 8 muestra un ejemplo de circuito con configuración inversora, diseñado para una entrada de 24 V y una salida de –12 V, capaz de suministrar hasta 10 A de corriente de carga. La figura 9 muestra las curvas de rendimiento obtenidas en los ensayos de banco.

Figura 8: Ejemplo de circuito con configuración inversora. (Fuente de la imagen: ADI)

Figura 9: Curvas de rendimiento obtenidas en banco de pruebas para -12 V_OUT. ( Fuente de la imagen: ADI)

En el convertidor reductor-elevador inversor, la tensión de salida puede elevarse ligeramente por encima de cero durante el arranque. Este mismo comportamiento se observa al configurar el regulador reductor-elevador de cuatro interruptores en modo inversor.

La figura 10 ilustra el mecanismo que explica la inversión de la tensión de salida durante el arranque. Cuando se activa la alimentación de entrada, pero antes de que los cuatro MOSFET comiencen a conmutar, la corriente de entrada empieza a cargar el capacitor de salida en sentido inverso a través de dos vías: mediante el capacitor de desacoplamiento C_IN conectado entre M1 y M2, y a través de la ruta del capacitor INTV_CC. Si los valores de C_IN o C_INTVcc son considerablemente mayores que el de C_OUT, es probable que se produzca una tensión de salida inversa más elevada.

Figura 10: Recorridos de la corriente de carga durante el arranque. (Fuente de la imagen: ADI)

No obstante, el regulador μModule incorpora un circuito de limitación integrado, tal y como se muestra en la figura 11. V_SD3 y V_SD4 representan las tensiones entre fuente y drenaje de M3 y M4, respectivamente. Cuando –V_OUT > V_SD3 + V_SD4, los diodos de cuerpo de M3 y M4 se activan, asumiendo la corriente de carga. Estos dos diodos de masa crean un circuito de limitación natural. En otras palabras, la tensión de salida inversa máxima es V_SD3 + V_SD4.

Figura 11: El circuito de bloqueo natural en el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores. (Fuente de la imagen: ADI)

La figura 12 muestra las formas de onda de la tensión de salida inversa registradas en el banco de pruebas durante la puesta en marcha. En la figura 12a, la magnitud de -V_OUT invertido es de aproximadamente +0.75 V, con un C_IN limitado (50 μF) en el circuito en comparación con el C_OUT (330 μF). Al aumentar el valor de C_IN a 350 μF, se observa un valor de –V_OUT en reserva más elevado, de +1.5 V, tal y como se muestra en la figura 12b.

La relación entre C_IN y C_OUT puede ajustarse para minimizar la tensión de salida positiva. Una relación menor da lugar a una tensión de salida positiva más baja antes de alcanzar la tensión de limitación interna, V_SD3 + V_SD4. Además, se puede añadir en la salida un diodo Schottky externo de fijación con baja caída directa para limitar la tensión positiva al nivel deseado, tal y como se ha mostrado anteriormente en la figura 8.

Figura 12. Formas de onda invertidas de –V_OUT durante el arranque: (a) C_IN relativamente pequeño (50 µF) en comparación con C_OUT (330 µF) y (b) C_IN relativamente grande (350 µF) en comparación con C_OUT (330 µF). (Fuente de la imagen: ADI)

Conclusión

El regulador reductor-elevador de cuatro conmutadores LTM4712 puede utilizarse, por supuesto, como regulador reductor o elevador sin necesidad de configuraciones especiales. Las pruebas de laboratorio han confirmado que este μModule ofrece la mayor eficiencia, el mejor rendimiento térmico y una mayor capacidad de corriente en comparación con otros reguladores μModule de tipo "reductor" (buck) o "elevador" (boost) disponibles en el mercado. Además, este regulador reductor-elevador de cuatro interruptores puede configurarse fácilmente como un regulador reductor-elevador inversor para aquellas aplicaciones que requieran una salida negativa.

Para obtener una guía completa sobre la implementación del LTM4712, recientemente lanzado al mercado, se recomienda consultar la ficha técnica y el diseño del kit de evaluación correspondiente. Además, cuenta con el respaldo de la herramienta de diseño LTpowerCAD y la herramienta de simulación LTspice, que proporcionan información valiosa y especificaciones esenciales para optimizar el rendimiento en diversas aplicaciones.