Una respuesta emergente es la arquitectura del convertidor CC-CC de 3 niveles, que puede ofrecer impresionantes ganancias de eficiencia al tiempo que reduce el coste de la lista de materiales (BOM) y el tamaño de la placa.
¿Por qué CC-CC de 3 niveles?
Un controlador Buck de 2 niveles utiliza dos FET (externos o internos) y un solo inductor para la transferencia de energía. Se denominan controladores de 2 niveles porque el nodo de fase del inductor (V_SW) oscila entre VIN y tierra, es decir, solo dos niveles. En esta topología, los FET deben bloquear todo el voltaje VIN cuando se apagan, y la ondulación del inductor alcanza su máximo en un ciclo de trabajo del 50 %.
Figura 1: Topología típica de CC-CC de 2 niveles
El convertidor reductor de tres niveles (3N) consta de dos interruptores adicionales y un condensador volante en comparación con un convertidor reductor convencional de dos niveles (2N). Los interruptores Q1 y Q4 están desfasados, y del mismo modo, Q2 y Q3 también lo están. El nodo de conmutación (V_SW) alterna entre VIN y VIN/2, o entre VIN/2 y tierra, de ahí el nombre de «3 niveles». »
Figura 2: Topología CC-CC típica de 3 niveles
En estado estable, el condensador volante mantiene VIN/2, lo que reduce la tensión en los interruptores. Esto permite el uso de FET de menor voltaje con mejor factor de mérito, lo que conduce a una reducción de las pérdidas de conducción y conmutación proporcionales a V².
Esta topología también permite el uso de un inductor más pequeño, ya que el inductor solo ve la mitad de VIN. La ondulación del inductor se produce al doble de la frecuencia de conmutación del FET, lo que hace que la ondulación pico a pico sea solo una cuarta parte de la de un convertidor de 2 niveles, lo que se traduce en una reducción de las pérdidas del núcleo del inductor y del DCR.
Figura 3: Ondulación del inductor frente al ciclo de trabajo para convertidores reductores de 2 y 3 niveles
Oportunidades de reducción de la lista de materiales
Aprovechando la mejora de la eficiencia térmica y eléctrica de los diseños de 3 niveles, los ingenieros pueden:
- Reducir el tamaño de los inductores y condensadores sin comprometer el rendimiento.
- Reducir el número de componentes simplificando los circuitos amortiguadores y el filtrado EMI.
- Seleccionar MOSFET con voltajes nominales más bajos, que son más rentables y tienen menores pérdidas de conducción.
Ejemplos de aplicaciones en el mundo real
Cargadores USB-PD de múltiples puertos
En los USB-PD de alta potencia (especialmente EPR >65 W), la eficiencia y el control térmico son fundamentales. Un convertidor CC-CC de 3 niveles puede funcionar a frecuencias de conmutación más altas sin penalización, lo que permite utilizar componentes magnéticos más pequeños y obtener una respuesta transitoria más rápida. La reducción de la carga térmica permite utilizar envolventes más elegantes y sin ventilación forzada, lo que reduce directamente los costes de fabricación y materiales.
Figura 4: Diagrama de un cargador USB-PD de múltiples puertos con CC-CC de 3 niveles
Productos de potencia para consumidores
En productos como ordenadores portátiles, estaciones de conectividad y equipos de audio portátiles de alta gama, el espacio en la placa suele ser muy valioso. Una etapa de potencia más pequeña no solo reduce el coste de la lista de materiales, sino que también libera espacio para funciones adicionales, una mejor estética o un factor de forma general más pequeño. Con un innovador diseño de etapa de potencia que incorpora un nodo de conmutación de 3 niveles y un nodo de conmutación de 2 niveles a través del inductor, esta arquitectura permite el modo buck, buck-boost o boost.
Figura 5: Producto de potencia de consumo con diagrama CC-CC de 3 niveles
Ventajas de la reducción de tension
Dado que cada componente de un convertidor de 3 niveles experimenta una oscilación de tensión menor, los requisitos de reducción de tensión se ven aliviados. Por ejemplo, en un convertidor reductor de 2 niveles que reduce 24 V a 5 V, el MOSFET del lado alto podría ver los 24 V completos durante el estado de apagado, lo que requeriría un dispositivo de 30 V-40 V con un R_DS(on) y un coste más elevados. En una topología de 3 niveles, el MOSFET solo recibe aproximadamente la mitad (≈12 V), lo que permite utilizar un MOSFET de 15 V-30 V con un R_DS(on) mucho más bajo, un mejor rendimiento de conmutación y un menor coste.
Este efecto se extiende a todo el diseño: la reducción de la tensión permite a los diseñadores elegir entre familias de componentes de menor tensión y mayor rendimiento, que a menudo tienen mejores índices de mérito (FOM) y menores pérdidas de conducción y conmutación. El resultado neto es una etapa de potencia más pequeña, más fría y menos costosa.
Ventajas en cuanto al tamaño y la eficiencia del inductor
Dado que la corriente de ondulación en un convertidor de 3 niveles se reduce de forma natural, se reduce el tamaño requerido del inductor. Por ejemplo, en un convertidor reductor de 2 niveles que reduce 24 V a 12 V, el inductor debe controlar la transición completa de 24 V a 0 V en cada ciclo. Esto da lugar a una corriente de ondulación pico a pico más alta, lo que obliga a los diseñadores a seleccionar valores de inductancia más altos e inductores físicamente más grandes con un mayor volumen de núcleo y bobinados de cobre. Los inductores más grandes no solo aumentan el coste, sino que también introducen una mayor resistencia de CC (DCR), lo que añade pérdidas de conducción y reduce aún más la eficiencia.
En un reductor de 3 niveles, el voltaje efectivo a través del inductor se reduce a la mitad porque las transiciones de conmutación se producen entre nodos de voltaje intermedios (≈12 V a 0 V o 24 V a 12 V). Esto reduce la corriente de ondulación casi en un 50 %, lo que permite un valor de inductancia más pequeño para lograr la misma ondulación de corriente. Los inductores más pequeños con menor DCR conducen directamente a una reducción de las pérdidas por conducción, una respuesta transitoria más rápida y un diseño más compacto. Al mismo tiempo, una menor ondulación reduce la tensión del condensador de salida y mejora la fiabilidad del sistema. El resultado combinado es una mayor eficiencia, un tamaño más reducido y un menor coste global del sistema, lo que hace que la topología de 3 niveles sea especialmente atractiva para aplicaciones de alta corriente y con limitaciones de espacio.
Impacto a nivel del Sistema
El cambio a una arquitectura CC-CC de 3 niveles no es solo un cambio a nivel de componentes, sino que tiene implicaciones en todo el sistema que pueden traducirse en beneficios cuantificables en todo el diseño del producto.."
• Menores requisitos de diseño térmico
Dado que la topología de 3 niveles reduce las pérdidas por conmutación y conducción, se genera menos calor en la etapa de potencia. Por ejemplo, en un cargador USB-PD de 200 W, la disipación térmica podría reducirse en 1-2 W en comparación con un diseño de dos niveles. Esto puede permitirle sustituir un voluminoso disipador de calor de aluminio por una pieza de metal estampado más pequeña o incluso eliminarlo por completo, lo que elimina la necesidad de almohadillas térmicas o tubos de calor y reduce el coste de la lista de materiales y la complejidad del montaje.
• Menor superficie de PCB dedicada a la conversión de potencia
Con menores pérdidas y tensión, los inductores y condensadores pueden ser físicamente más pequeños. En un adaptador típico para portátiles, la superficie de la etapa de potencia podría reducirse entre un 20 y un 30 %, liberando un valioso espacio en la placa para puertos adicionales, bobinas de carga inalámbrica o un diseño mecánico mejorado. Los componentes más pequeños también permiten una mayor densidad de componentes, lo que facilita el cumplimiento de los objetivos de tamaño o peso de la carcasa.
• Mayor eficiencia que se traduce en menores costes operativos para el usuario final
En los dispositivos de consumo de gran volumen, incluso una ganancia de eficiencia del 0,5-1 % se traduce en un ahorro energético tangible a lo largo de la vida útil del producto. Por ejemplo, un cargador USB-PD de 240 W y 3 niveles con una eficiencia del 95 % desperdiciará 12 W menos de energía al día que un diseño de 2 niveles con una eficiencia del 93 % cuando se utiliza a plena carga durante ocho horas, lo que reduce los costes de electricidad y la acumulación de calor para el usuario final. Esto es especialmente importante en entornos empresariales o de centros de datos, donde pueden desplegarse docenas o cientos de unidades de este tipo.
Conclusión
El convertidor CC-CC de 3 niveles ofrece una forma atractiva de maximizar el valor en los sistemas de suministro de energía. Al reducir el coste de la lista de materiales, disminuir el tamaño de los componentes y simplificar la gestión térmica, esta topología permite a los diseñadores ofrecer productos de alto rendimiento y coste optimizado que satisfacen las demandas de las aplicaciones modernas. A medida que el USB-PD y otros mercados de alta potencia sigan creciendo, el enfoque de 3 niveles se convertirá en una opción cada vez más atractiva para los ingenieros centrados tanto en el rendimiento como en la rentabilidad.
Por Alex Zhou, director de marketing de productos de Renesas
