Uno de los retos constantes que debe afrontar la ingeniería analógica de precisión consiste en mejorar la eficiencia de la gestión de energía y, al mismo tiempo, profundizar en la integración tanto analógica como digital. A medida que crece el interés por los circuitos integrados de gestión de energía, cada vez más ingenieros se dan cuenta de que existen muchas similitudes entre los reguladores de conmutación elevadores y reductores.

La obtención del mejor rendimiento de un convertidor depende de múltiples factores, entre los cuales figuran la selección de los componentes apropiados, para soportar la función del circuito integrado, y el diseño de la placa de circuito impreso para optimizar el rendimiento y la eficiencia. Evidentemente, el diseño de cada uno de los circuitos debe ser tan pequeño y compacto como sea posible, pero ¿qué parte del diseño debería tener prioridad para alcanzar en la medida de lo posible este objetivo y qué parte debería sacrificarse debido a las limitaciones físicas de los componentes y del diseño de la placa de circuito impreso? Cada tipo de regulador necesita un condensador de entrada, un condensador de salida y un inductor. Aunque estas directrices son bien conocidas, se desconocen a menudo las razones subyacentes. En este artículo se explican estas razones, cuyo conocimiento ayudará a los ingenieros a generar diseños óptimos, a la vez que aceptan concesiones mínimas y razonables.

 

Selección del inductor
Este artículo trata de reguladores que funcionan a corrientes de salida bastante altas en modo de modulación por ancho de pulsos (PWM) y a una frecuencia fija; se supondrá que no requieren ninguna conmutación en ciclos de trabajo del 100% para alimentar la carga. El artículo no entra en detalles como por ejemplo los límites de corrientes de entrada, la protección contra cortocircuitos en la salida y otras funciones de diseño que alargan el ciclo de vida útil de los productos, tales como la protección térmica. En el artículo se abordan las vías de corriente alterna (CA) y las de corriente continua (CC) así como la optimización del enrutamiento para un funcionamiento con máxima eficiencia. Después de explicar las técnicas de enrutamiento y los motivos de la preferencia del montaje y del enrutamiento, el artículo comenta las diferencias y explica en qué se diferencian los dos diseños. Esto debería ayudar a los ingenieros a crear reguladores más eficientes.

Un regulador de conmutación típico tiene un condensador de entrada con una capacidad de entre 10 y 22 mF, aproximadamente; un condensador de salida, normalmente con un rango igual de faradios; y un inductor, cuya inductancia varía proporcionalmente a la capacitancia de salida y la frecuencia de conmutación. Frecuencias de conmutación más altas permiten el uso de inductores con menos henrios de inductancia, lo que reduce el inductor pero incrementa la demanda de mantener los diseños de formato pequeño. Entre los factores que se deben tener en cuenta a la hora de elegir el inductor para el regulador figuran la corriente de saturación, la respuesta térmica, las restricciones de espacio y la inductancia recomendada a temperaturas ambiente. Normalmente será necesario un inductor con una corriente de saturación del 30% cuando funciona con una carga de corriente continua que supera dos veces la esperada. Reduciendo el porcentaje de error o aumentando la corriente de saturación se puede mejorar la eficiencia más allá de lo absolutamente necesario, pero esto tiende a ir a expensas del espacio disponible.

Otro factor clave en la selección del inductor es saber la frecuencia autorresonante de este a fin de proporcionar la capacitancia de salida necesaria para mantener la frecuencia resonante del filtro de salida a un mínimo de 10 por debajo de la frecuencia autorresonante del inductor. La frecuencia autorresonante del inductor es un valor que se encuentra a menudo en las hojas de datos de inductores y se incluye en el modelo facilitado por el proveedor. La inductancia varía en función de la corriente y la temperatura del inductor, y la capacitancia entre bobinas, la causa de la autorresonancia, varía en función de la tensión, la frecuencia y la temperatura del inductor. Puede que todo ello suene mucho a un ciclo interminable de variación; por eso en el artículo se parte del supuesto de que el sistema se ha consolidado y está funcionando en condiciones estables. A continuación, se presentan fórmulas que conviene considerar a la hora de seleccionar un inductor. En este artículo se supone que el diseñador ha seleccionado un valor de inductor adecuado que se ajusta al diseño del regulador y que el fabricante de reguladores reductores o elevadores ha indicado dicho valor en su hoja de datos.

 

 

 

Selección del condensador
El condensador debería disponer de un tipo dieléctrico con una temperatura mínima nominal igual al mínimo y máximo de temperatura ambiente de funcionamiento especificada para el circuito integrado. Además, la tensión nominal debería superar 1,5 veces (o más) la tensión anticipada en el nodo. La ventaja de temperaturas y tensiones más altas es una capacitancia más estable en todas las condiciones de funcionamiento. A medida que aumenta la tensión, se disminuye la capacitancia; con la tensión especificada, la capacitancia prevista es la mínima. Este es un buen valor que sirve para comprobar que la frecuencia de ángulo del bucle no se acerca a la frecuencia autorresonante del inductor. Con los valores recomendados por el fabricante se espera obtener el mejor rendimiento, lo que significa que inductores con corrientes nominales más altas y condensadores con tensiones nominales más altas representan una manera simple y sencilla de aprovechar al máximo los reguladores. La mayor ventaja de seleccionar componentes con especificaciones de temperatura más alta reside en el hecho de que proporcionan una capacitancia térmica más estable, tolerancias más ajustadas y  resistencias serie equivalentes (ESR) más bajas.

Similitudes entre reguladores de conmutación elevadores y reductores
Aparte de sus condensadores de entrada y salida e inductores, los dos tipos de reguladores integrados presentan otra similitud (a veces malinterpretada), que es el estándar de mantener mínimas las distancias entre los componentes y las longitudes de trazas. Lo que a menudo se ignora y se omite fácilmente, si no es planteado expresamente, es la causa de la sutil diferencia respecto al diseño óptimo entre los dos tipos de reguladores. Esta diferencia puede dar por resultado un rendimiento más bajo que el esperado, debido a las características físicas subyacentes a las diferencias en el funcionamiento. Estas diferencias deben tenerse en cuenta en el montaje de los componentes.

Vías de la corriente del regulador reductor
Tal como se muestra en el diagrama de la figura 3, en el primer tiempo (t1), la corriente fluye de Cin al inductor, pasando por el interruptor de entrada. En el inductor, la corriente se divide entre Cout y la carga (LOAD) y se vuelve a unir para retornar a Cin. Después, en el segundo tiempo (t2), la corriente viene de Cout y del retorno de la carga y fluye hacia el inductor, pasando por el interruptor del circuito integrado y, finalmente, vuelve a Cout y la carga. Teniendo en cuenta estas vías al examinar las similitudes entre t1 y t2, la única diferencia se observa a la izquierda: el paso de la corriente por Cin y el uso del interruptor secundario. Por lo tanto, el diseño óptimo del regulador reductor se centrará, en el montaje y el enrutamiento, en minimizar la longitud y maximizar el ancho de las conexiones entre el condensador de entrada y la tensión de entrada (Vin) del circuito integrado y los pines PGND. Cualquier corriente que fluya por la vía de Cin, en el caso de t2, será energía perdida devuelta a la fuente. Cuanto más larga la traza, más energía contendrá el metal; por ende, la longitud adicional de esta traza repercutirá directamente en la eficiencia global.

La próxima optimización debería consistir en acercar al máximo el lado de la toma de tierra (GND) de Cout a la propia conexión a tierra de la energía (PGND). Ahora el inductor debería colocarse en último lugar ya que las dos vías están directamente conectadas en serie con el inductor principal. La inductancia del inductor eliminará con máxima probabilidad cualquier inductancia parásita añadida por las trazas, suponiendo que el inductor se encuentra en una proximidad cercana al circuito integrado. El nodo de salida debería enrutarse directamente desde la parte superior de la conexión Cout y FB, y el retorno debería volver directamente a la parte inferior del condensador Cout. Acto seguido, todas las corrientes alternas de conmutación rápida se direccionan hacia el DUT, y la corriente continua se enruta adecuadamente hacia y desde la carga. Finalmente, el nodo PGND debería enlazarse con el símbolo GND. Esta conexión no debería ser excesivamente larga, sino que debería ser capaz de transportar la corriente del arranque suave. Su principal finalidad es mantener las tomas de tierra al mismo potencial.

Vías de la corriente del regulador elevador
La figura 4 muestra la arquitectura de los reguladores elevadores más comunes con las vías de alta corriente realzadas y señalizadas para las dos principales condiciones basadas en el tiempo de funcionamiento.

Al echar un vistazo a la figura 4, si nos fijamos en los tiempos t1 y t2, debe quedar claro que, otra vez, una sección de la vía de corriente se ha dejado de usar de un periodo de tiempo a otro. El área del bucle cambiante ahora tiene que ver con el condensador de salida y el circuito integrado. En este caso, en la colocación y el diseño se deberían priorizar las conexiones del condensador Cout al circuito integrado, y después el nodo PGND del condensador Cin debería aproximarse en lo posible al pin PGND del circuito integrado. Una vez más, el inductor puede montarse en último lugar. A continuación, convendría enlazar el nodo de realimentación cerca de la carga o en la parte superior del condensador de salida y referenciar el PGND a la toma de tierra de la fuente de alimentación de entrada. La última técnica de optimizar los diseños consiste en mantener el área de los bucles cambiantes tan pequeña como sea posible, porque las corrientes residuales que quedan atrás después de conmutar entre los recorridos alternos serán energía perdida. La reducción del área del bucle suele convertirse en un problema tridimensional. Por lo tanto, es mejor mantener tantas trazas en la capa superior de la placa de circuito impreso y dirigir cualquier cruce en la capa física más cercana hacia la capa superior.

Diferencias entre reguladores de conmutación elevadores y reductores
La figura 5 representa el circuito integrado de carga inalámbrica IDTP9020 (cuyo lanzamiento está previsto para 2012) con un regulador reductor de salida con capacidad de 7,5 W de potencia de salida.

Este plano de diseño contiene realmente dos condensadores de entrada y dos de salida. De este modo, se mantienen pequeños el tamaño y el formato de los encapsulados y se incrementa la capacitancia. Toda el área del bucle cambiante sigue ubicada en la capa superior, con los condensadores Cin muy cerca del circuito integrado e interconexiones de metal muy ancho. El metal ancho contribuye a la disipación térmica y presenta niveles bajos de resistencia e inductancia. Las áreas sombreadas en rojo (figura 6) representan metal sólido en la superficie de la placa de circuito terminada.
Este diseño se ve amontonado con escaso espacio, porque es así. Este dispositivo es una solución completa para la gestión de energía a nivel del sistema (entre otras funciones). El presente artículo se centra en un simple bloque del circuito integrado, el Boost5. 

Hay múltiples condensadores de salida (se muestran cuatro de ellos), ya que este regulador elevador se ha diseñado para alimentar un amplificador de audio integrado de clase D con una potencia de 2,5 W. Estos condensadores se han montado en primer lugar muy cerca del circuito integrado, después el inductor y el condensador de entrada en proximidad cercana. En este caso, el inductor se ha colocado en una posición más cercana para evitar que el nodo de conmutación LX se solape con el retorno de GND del condensador de entrada, lo que aumenta el blindaje hacia y desde otros reguladores. Se han aceptado ciertas desventajas para optimizar el diseño de otros reguladores de conmutación justamente opuestos a este.

Tal como se ha comentado con anterioridad, conviene minimizar la longitud del retorno de PGND del condensador de entrada y colocar, a continuación, el inductor. Sin embargo, como se muestra aquí, pequeñas variaciones son a menudo indispensables para el funcionamiento de un sistema. Esto significa que, aunque las ideas expresadas en este artículo son básicamente correctas, no existe una norma única que se pueda aplicar a todos los diseños de reguladores reductores y elevadores. No obstante, si los diseñadores de placas de circuito impreso conocen las vías físicas utilizadas para el funcionamiento, podrán encontrar el equilibrio correcto, para aumentar la eficiencia de los reguladores y reducir las pérdidas asociadas a un montaje prioritaria de los condensadores equivocados para el tipo de regulador de conmutación.

Encontrar el equilibrio óptimo entre costes, tamaño y rendimiento en materia de diseño y selección de componentes siempre es un reto, pero basándose en unas directrices técnicas bien fundadas y un conocimiento profundo del problema, es menos difícil crear los diseños óptimos y aceptar un mínimo de inconvenientes razonables.

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