Utilice una plataforma modular con componentes sólidos para simplificar la evaluación coherente de reguladores CC/CC

Los reguladores de conmutación CC/CC son fundamentales para el suministro de energía en una amplia gama de aplicaciones, pero elegir la topología óptima y los componentes de apoyo para un diseño específico sigue siendo un reto importante. Los diseñadores se han enfrentado normalmente a un proceso que requiere mucho tiempo y que exige placas de evaluación independientes y configuraciones de prueba incoherentes para cumplir los requisitos de espacio en la placa, eficiencia, rendimiento térmico e interferencias electromagnéticas (EMI).

Lo que los diseñadores necesitan es un enfoque de evaluación estructurado que acelere la selección de la etapa de potencia al permitir la comparación directa de múltiples topologías de convertidores en condiciones de prueba coherentes y repetibles. Igualmente importante es que ese enfoque se base en componentes pasivos y de interconexión sólidos que muestren un comportamiento estable de un submódulo al siguiente, de modo que las diferencias en las mediciones reflejen las elecciones del regulador y el inductor más que la infraestructura de pruebas.

Este artículo analiza los retos del diseño y la evaluación de los reguladores. A continuación, presenta los componentes de Würth Elektronik y muestra cómo permiten una evaluación fiable de los convertidores CC/CC al proporcionar una base estable para una plataforma modular diseñada por Microchip Technology.

¿Por qué es difícil la comparación directa de reguladores con los métodos convencionales?

Al evaluar un regulador de conmutación CC/CC para un nuevo diseño, los ingenieros se enfrentan a múltiples decisiones que implican la topología del regulador y sus características de funcionamiento. En la práctica, la aplicación suele impulsar la elección de la topología para una etapa de excitador de LED de elevación (boost), de reducción (buck) o de corriente constante. Para cada tipo de regulador, el entorno operativo objetivo aporta una combinación de requisitos amplios para el rango de tensión de entrada, la tensión de salida y la corriente de carga, junto con necesidades específicas para características como la corriente de reposo, el bloqueo por subtensión (UVLO), la desconexión de salida, el funcionamiento con modulación de frecuencia de impulsos/modulación de anchura de impulsos (PFM/PWM) y los mecanismos de protección.

Junto con estos requisitos, la selección del regulador se complica aún más por la necesidad de equilibrar los retos interdependientes asociados con el espacio limitado de la placa, la eficiencia, el rendimiento térmico y la EMI. Las limitaciones de espacio en la placa impulsan la selección hacia pasivos más pequeños y diseños más ajustados, lo que puede degradar el rendimiento. La eficiencia y el comportamiento térmico bajo corriente de carga real requieren una caracterización para confirmar que el regulador y sus pasivos pueden sostener el ciclo de trabajo de la aplicación sin un aumento inaceptable de la temperatura. A menudo, el comportamiento EMI solo se hace visible al final del ciclo de evaluación, cuando ya se han fijado el diseño, la frecuencia de conmutación y las características de los inductores.

La práctica de evaluación convencional suele abordar cada regulador candidato en su propia placa dedicada, cada una con su propio diseño, estilo de conector y selección de componentes pasivos. Este enfoque dificulta a los diseñadores la comparación directa de los distintos tipos de reguladores y la evaluación de sus características de funcionamiento. Además, en lugar de dedicar tiempo a la evaluación de los reguladores, los diseñadores se encuentran montando múltiples prototipos, lo que en última instancia complica la comparación directa de los resultados, ralentizando el ciclo de evaluación a medida que aumenta la presión para mantener los ajustados calendarios de los productos.

Basada en una cartera de componentes de Würth Elektronik, la placa BB22H52A Building Block Solutions Switchers (BBS-SW) de Microchip es una plataforma de evaluación modular creada específicamente para ayudar a los diseñadores a evaluar con eficacia múltiples configuraciones de reguladores de conmutación CC/CC en condiciones de prueba constantes.

Afrontar los retos de la evaluación de reguladores CC/CC mediante una plataforma coherente

La placa BB22H52A BBS-SW de Microchip (figura 1) aborda el reto de la evaluación mediante una arquitectura modular que coloca siete submódulos convertidores CC/CC independientes en una única placa de circuito impreso (placa CI). Cada submódulo implementa un regulador de conmutación diferente con sus propios terminales de entrada y salida, red de habilitación (EN) y conjunto de componentes pasivos dedicados, al tiempo que comparte una pila de capas de placa, una referencia de tierra y una convención de conectores comunes.

Figura 1: El BB22H52A BBS-SW coloca siete submódulos convertidores CC/CC independientes en una única placa con una pila de capas común, lo que permite una evaluación directa en condiciones de prueba ajustadas. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Los siete submódulos representan tres clases de topología distintas y abarcan tensiones de entrada de 1.5 V a 50 V, tensiones de salida de 3.3 V a 24 V y corrientes de salida de 100 mA a 1 A (figura 2). El conjunto de características incluye el funcionamiento con batería de baja corriente de reposo (I_Q), UVLO programable y conducción de LED de corriente constante.

Figura 2: Los submódulos BB22H52A abarcan tensiones de entrada de 1.5 V a 50 V, tensiones de salida de 3.3 V a 24 V y corrientes de salida de 100 mA a 1 A. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Dos reguladores elevadores, BBS1 (MCP16251) y BBS3 (MCP16411), se dirigen a los rieles de bajo voltaje y baja corriente típicos de los diseños alimentados por batería. Dos reguladores elevadores basados en el MCP1663, BBS4 y BBS5, generan rieles superiores de 12 V y 24 V a partir de entradas de bajo voltaje. La placa de evaluación también incluye un regulador reductor síncrono, BBS2(MCP16311), un regulador reductor no síncrono, BBS7 (MCP16331), y un controlador de LED de corriente constante, BBS6 (MCP1664).

En todos los submódulos, la plataforma mantiene una infraestructura de evaluación coherente. Los conectores de terminales normalizados de 2.54 mm se encargan de todas las entradas y salidas. Por defecto, el pin EN de cada submódulo se pone a nivel alto a través de una resistencia, lo que permite el encendido aplicando una tensión de entrada. La misma convención del pin EN también admite la evaluación del modo de apagado a través de una única conexión. Los puntos de prueba y los nodos de medición accesibles simplifican la caracterización de la tensión, la corriente y el rizado.

La uniformidad de los módulos proporciona a los diseñadores una referencia común de un submódulo al siguiente, lo que les permite ejecutar secuencias de prueba idénticas en todas las topologías y evaluar con confianza las diferencias como relacionadas con el regulador y el inductor, en lugar de disparidades a nivel de placa. La consecución de estos objetivos de evaluación depende tanto de una arquitectura de plataforma coherente como de un conjunto de componentes robustos, en particular inductores bien adaptados a las exigencias de cada topología de convertidor.

Satisfacer las exigencias de la topología de los convertidores con componentes resistentes

En el BB22H52A, inductores, bloques de terminales, condensadores cerámicos y resistencias de película gruesa de Würth Elektronik completan los siete submódulos. Los bloques de terminales WR-TBL de Würth proporcionan la convención común de entrada/salida de 2.54 mm comentada anteriormente. Extraídos de una cartera que abarca dieléctricos de Clase 1 y Clase 2, los capacitores de chip cerámicos multicapa (MLCC) de Würth se encargan del filtrado de entrada, el filtrado de salida y el desacoplamiento en cada submódulo. Clasificadas para un funcionamiento a +155 °C, las resistencias de película gruesa WRIS-RSKS de Würth sirven como divisores de realimentación, resistencias de detección para la monitorización de corriente y referencias pull-up. Estas familias de componentes proporcionan una base estable para el comportamiento coherente de la plataforma en todos los submódulos, aislando las diferencias entre reguladores e inductores como variables restantes en el proceso de evaluación.

Entre estos componentes pasivos, el inductor suele considerarse el más sensible a las aplicaciones. Moldea directamente la eficiencia, el comportamiento térmico, la firma EMI y la huella de la placa. Los criterios de selección de inductores difieren según las topologías, por lo que la placa de Microchip ofrece opciones a los diseñadores recurriendo a tres familias de inductores WE: WE-MAPI, WE-XHMI y WE-MXGI.

En un convertidor reductor, el inductor establece el rizado de la corriente de salida a la vez que interactúa con la compensación de pendiente y la frecuencia de conmutación del regulador. En un convertidor elevador (figura 3), el inductor se sitúa en el nodo de conmutación del regulador y su corriente media escala con la relación entre la tensión de salida y la de entrada, mientras que la corriente de pico aumenta con el rizado. La guía de diseño de Microchip para el MCP1663 recomienda 4.7 µH para tensiones de salida inferiores a 15 V y 10 µH para tensiones de salida de 15 V y superiores, lo que corresponde directamente a la inductancia 7443844020047 de 4.7 µH de Würth Elektronik en el BBS4 de salida de 12 V y a la inductancia de 744393305100 de 10 µH en el BBS5 de salida de 24 V.

Figura 3: La aplicación de elevación típica del MCP1663 coloca el inductor en el nodo de conmutación del regulador, con el valor de inductancia seleccionado para que coincida con la tensión de salida objetivo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

En todas las topologías, el valor de la inductancia impulsa un compromiso fundamental. Una mayor inductancia reduce la corriente de ondulación y las pérdidas en el núcleo, pero aumenta el tamaño físico y la resistencia de CC (DCR). La construcción también importa, con inductores apantallados magnéticamente recomendados para aplicaciones críticas de compatibilidad electromagnética (EMC) para evitar el acoplamiento incontrolado con las trazas y componentes vecinos. Las tres familias de inductores Würth de la BB22H52A están apantalladas magnéticamente y cada una aborda una combinación diferente de compensaciones de tamaño, eficiencia y EMI.

Los inductores WE-MAPI de BBS1, BBS2 y BBS7 utilizan un núcleo compacto de aleación magnética con construcción autoprotegida. La familia cuenta con la homologación AEC-Q200 y los informes comparativos de Würth citan una pérdida total de potencia entre 17 y 28% inferior a la de otras piezas en una etapa de reducción de 24 V a 12 V a 2 A y 500 kHz. En BBS1 se utiliza una variante de alta temperatura, con una temperatura nominal de -55 °C a +150 °C, que amplía el margen de cualificación para diseños en entornos difíciles.

El inductor WE-XHMI de BBS5 emplea una bobina de alambre plano con un núcleo compuesto que reduce la DCR y aumenta la corriente de saturación (ISAT). Estas características respaldan directamente la mayor corriente inductora y los márgenes térmicos más ajustados que requiere la etapa boost de 24 V.

El inductor WE-MXGI de BBS3, BBS4 y BBS6 está construido con un material de aleación de hierro optimizado para frecuencias de conmutación superiores a 1 megahercio (MHz), con una DCR y unas pérdidas de CA ultrabajas. Estas propiedades permiten que una sola pieza sirva eficazmente tanto en las topologías de refuerzo (BBS3, BBS4) como de conductor LED (BBS6). La construcción moldeada también ofrece una estrecha consistencia unidad a unidad que permite que las mediciones de laboratorio sigan siendo válidas en todas las tiradas de producción.

Juntas, estas tres familias de inductores abordan los tres retos interdependientes que complican la evaluación de los reguladores CC/CC:

• WE-MAPI se dirige a submódulos con espacio limitado en la placa y presenta una construcción blindada que reduce la radiación no deseada y el acoplamiento para mejorar las características EMI.
• WE-XHMI proporciona la corriente y el margen térmico necesarios a una tensión de salida y una carga mayores.
• WE-MXGI aporta el perfil de pérdidas de alta frecuencia y la estabilidad que permiten que una familia de inductores sirva para múltiples topologías y traduzca los resultados de la evaluación de laboratorio en producción en serie.

Combinadas con la cartera pasiva más amplia de Würth, las tres familias de inductores confieren a la BB22H52A un comportamiento de evaluación coherente en todas las topologías.

Cómo los siete submódulos ilustran las compensaciones clave del diseño

Más allá de permitir la comparación entre topologías, la selección de reguladores del BB22H52A pone de relieve las compensaciones de diseño específicas que se repiten dentro de cada clase de topología. Al colocar variantes con la misma salida y la misma CI una al lado de la otra en una sola placa, la plataforma permite a los diseñadores ver cómo la profundidad de las características, la configuración de la salida y la elección de la topología afectan cada una al comportamiento del regulador.

Los dos submódulos de elevación de bajo voltaje, BBS1 y BBS3, regulan ambos a 3.3 V a partir de una entrada nominal de 1.5 V, pero ofrecen conjuntos de características significativamente diferentes. El MCP16251 en BBS1 enfatiza la longevidad de la batería a través de su opción de desconexión de carga real y una corriente de reposo de 4 µA en modo PFM. En cambio, el MCP16411 de BBS3 hace hincapié en una supervisión y protección más ricas con una corriente de reposo similar de 5 µA.

Los submódulos elevadores de alto voltaje, BBS4 y BBS5, comparten el mismo regulador MCP1663, pero generan salidas de 12 V y 24 V, respectivamente, lo que ilustra cómo la configuración de salida determina la corriente de carga máxima disponible a partir de un único regulador. El MCP1663 es no síncrono, por lo que cada submódulo incluye un diodo Schottky externo, lo que demuestra un compromiso específico en el recuento de componentes, en comparación con el boost síncrono del BBS1.

Los dos submódulos reductores cuentan con la homologación AEC-Q100 e ilustran la clásica disyuntiva entre síncrono y no síncrono. El MCP16311 en BBS2 es un reductor síncrono con una entrada de hasta 30 V y una salida de 1 A, que consigue un alto rendimiento sin rectificador externo. El MCP16331 en BBS7 es un reductor no síncrono que amplía el rango de entrada a 50 V a costa de un diodo Schottky externo y una menor corriente de salida.

BBS6 se basa en un enfoque diferente en el que el controlador de LED MCP1664 regula la corriente de salida en lugar de la tensión, impulsando hasta ocho LED blancos en serie. La protección contra carga abierta y la regulación PWM completan el conjunto de características específicas de los LED.

Acelerar la evaluación y la transición a soluciones personalizadas

Completamente montado y probado, un submódulo BB22H52A, como el BBS1 (figura 4), permite a los diseñadores comenzar la evaluación conectando una fuente de alimentación externa a los terminales de entrada y una carga a V_OUT y GND. Como ya se ha indicado, el regulador se enciende en cuanto se aplica la tensión de entrada. Con la alimentación conectada, un voltímetro en V_OUT confirma la salida regulada, que se mantiene muy próxima a la salida nominal, aunque varíen la tensión de entrada y la carga.

Figura 4: Para comenzar la evaluación del submódulo BB22H52A BBS1, los diseñadores solo tienen que conectar una fuente de alimentación de laboratorio, un voltímetro y una carga. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Más allá de la evaluación, el BB22H52A sirve como diseño de referencia para construir convertidores CC/CC personalizados. Cuenta con esquemas completos de los siete submódulos, un diseño de placa de circuito impreso de cuatro capas y una lista de materiales (BOM) basada en circuitos integrados reguladores de Microchip y componentes pasivos de Würth fácilmente disponibles.

Conclusión

Seleccionar el regulador de conmutación CC/CC adecuado para un nuevo diseño desafía a los ingenieros a equilibrar la elección de la topología, el espacio en la placa, la eficiencia, el rendimiento térmico y el comportamiento EMI. El BB22H52A BBS-SW ayuda a abordar estos retos mediante una arquitectura de evaluación modular que se basa en una sólida cartera de componentes de Würth Elektronik, que incluye tres familias de inductores adaptados a las demandas específicas de cada topología, junto con bloques de terminales, capacitores de cerámica y resistencias de película gruesa.