La conversión de potencia es una función esencial en numerosas aplicaciones, desde los sistemas de infoentretenimiento hasta los sensores con batería del IIoT. Habitualmente se utilizan distintas topologías básicas de modo de conmutación para la conversión CC/CC y CC/CA. El tipo que se utilice en concreto dependerá de los niveles de tensión requeridos y de la cantidad de potencia necesaria.

Este artículo investiga los conceptos básicos de la conversión de potencia y muestra las topologías más utilizadas para los diseños discretos y modulares. El artículo también aborda los aspectos fundamentales del aislamiento y la regulación de la tensión.

La conversión de potencia está en todas partes
En casi toda la tecnología que usted utiliza encontrará aplicaciones de conversión de potencia. Por ejemplo, en su móvil. Lo más probable es que tenga una batería de litio con una tensión de salida nominal de 3,7V. Es posible que los numerosos CI del teléfono y sus aplicaciones asociadas puedan funcionar con diferentes niveles de tensión, siendo los más habituales los de 1,8, 3,3o 5,0V. Las aplicaciones de conversión de potencia toman los 3,7V y los transforman en el nivel de tensión adecuado, ya sea por encima o por debajo de la tensión de salida nominal de la batería.
Otro ejemplo parecido es el del sencillo pero popular cargador portátil USB que nos ayuda a recargar nuestros dispositivos tecnológicos en cualquier lugar. Este también utiliza una única celda de batería tipo bolsa de litio que suministra 3,7V y un convertidor CC/CC que aumenta la salida para suministrar la salida estándar de 5V del USB.
Su altavoz, su televisor, su portátil y sus electrodomésticos inteligentes convierten la tensión de alimentación al nivel adecuado para los circuitos internos.
Los métodos de conversión CA/CC y CC/CC incluyen dos técnicas que se diferencian claramente: lineal y de conmutación. El método lineal solía emplearse frecuentemente en los equipos que se alimentaban a través de la red eléctrica, pero requería componentes voluminosos, como transformadores y condensadores de suavizado grandes. Los reguladores lineales todavía se utilizan en algunas tareas de conversión CC/CC especializadas, pero en la actualidad, la mayor parte de las aplicaciones emplea un método de regulador de conmutación.

El método de conversión de conmutación CC/CC se basa en almacenar energía en un inductor o condensador. A diferencia de lo que sucede en el método lineal, la tensión de salida que proporciona un regulador de conmutación puede ser mayor o menor que la de entrada. En la imagen 1 puede verse el concepto básico de un convertidor CC/CC de conmutación.
Imagen 1: Diagrama de bloques funcional de un convertidor CC/CC (fuente: Murata)

Como señal de accionamiento de conmutación, se aplica una señal PWM a un dispositivo semiconductor. El ciclo de trabajo (la relación marca/espacio) y la frecuencia de la entrada PWM afectan directamente a la eficacia de la conversión, la regulación de la carga y la tensión de salida. Básicamente, la PWM y el semiconductor de conmutación crean un circuito de bomba de carga para almacenar energía en un inductor o condensador durante el ciclo de ON. Esta energía se libera y rectifica durante el periodo de OFF de la señal PWM. La regulación de la tensión de salida se aplica a la señal PWM. El aislamiento desde la entrada hasta la salida se consigue utilizando un transformador —como elemento inductivo— y un condensador.
A lo largo de los años, se ha hecho popular una serie de arquitecturas o topologías de convertidor CC/CC, la cual explicaremos brevemente.

Las topologías más frecuentes de convertidor CC/CC

El convertidor reductor (o buck o step down)
Una topología de convertidor reductor asíncrono convierte una tensión de entrada en una de salida inferior (por ejemplo, 5VCC en 3,3VCC). En la imagen 2 se muestra una sencilla explicación del circuito.

Imagen 2: La función principal de un convertidor reductor (fuente: Murata)

En la imagen 2, SW1 suele ser un transistor accionado por una señal PWM, y SW2 es un diodo. Cuando SW1 está cerrado o en estado ON, la corriente fluye a través del inductor y se almacena energía. Cuando SW1 está en estado OFF, la energía se libera conforme la corriente fluye a través del diodo representado por SW2 y suministra una tensión de salida.
La tensión de salida del convertidor reductor depende del ciclo de trabajo de la señal PWM de conmutación, tal y como puede verse en la imagen 3.

Imagen 3: El efecto del ciclo de trabajo sobre la tensión de salida (fuente: Murata)

En una topología reductora síncrona, el diodo se sustituye por otro elemento de conmutación, normalmente un FET. Se alimenta de una señal de conmutación fuera de fase. Los FET suelen ofrecer una menor resistencia en polarización directa, lo que reduce las pérdidas.
El convertidor elevador (o boost o step up)
Como su nombre indica, en un convertidor elevador la tensión de salida es superior a la de entrada. El grado de superioridad depende de varios factores, pero para la mayoría de los usos prácticos, el máximo es de hasta cinco veces la tensión de entrada. Un valor de hasta tres veces es más factible para que la regulación de la tensión de salida sea la correcta. Véase la imagen 4. 

Imagen 4: El concepto básico de un convertidor elevador (fuente: Murata)
En comparación con la disposición del convertidor reductor de la imagen 2, el transistor de conmutación S1, el inductor L1 y el diodo D1 (en la imagen 1 era un interruptor) se colocan en posiciones ligeramente diferentes. Cuando S1 está en estado ON, la energía se almacena en L1, y cuando está en estado OFF, la energía se añade a la tensión de entrada que esté atravesando el condensador de entrada y pasa al condensador de salida.
Los convertidores elevador y reductor utilizan muy pocos componentes y este método les permite alcanzar una elevada eficiencia energética, que suele ser de hasta el 97%.

Ni la topología de los convertidores reductores ni la de los elevadores están aisladas. Esto significa que cualquier tensión de entrada puede aparecer en la salida. Si el convertidor CC/CC se alimenta de una fuente de CA, un fallo podría hacer que la tensión de la línea de CA apareciera en la salida con consecuencias que podrían llegar a ser fatales. Numerosas aplicaciones requieren un aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, como las aplicaciones médicas y de atención sanitaria. Por ejemplo, una forma de lograr el aislamiento galvánico en un regulador de conmutación cuando la conexión a tierra no es común, es utilizar un transformador. Un ejemplo de ello es el convertidor de retroceso aislado (véase la imagen 5).

Imagen 5: Esquema simplificado de un convertidor de retroceso aislado (fuente: Wikipedia)

El convertidor de retroceso aislado
En un convertidor de retroceso aislado, el transformador es el inductor de almacenamiento de energía a la vez que proporciona aislamiento. Esta topología es quizá la más sencilla de todos los convertidores CC/CC, ya que tiene pocos componentes. Las aplicaciones se limitan normalmente a aplicaciones de baja potencia (<50 W) y a aplicaciones que puedan tolerar corrientes de ondulación relativamente elevadas. Un transformador introduce pérdidas entre el primario y el secundario, por lo que a la mayoría de los convertidores de retroceso les cuesta alcanzar una eficiencia energética que sea superior al 90 %. Sin embargo, a diferencia de lo que sucede en las topologías tipo buck y boost, el uso de un transformador permite aumentar o reducir la relación de transformación para lograr una mayor variedad de tensiones de salida potenciales. También se pueden utilizar bobinados secundarios adicionales para suministrar varias tensiones de salida.

Convertidores push-pull, de medio puente (half bridge) y de puente completo (full bridge)
Los convertidores push-pull, de medio puente y de puente completo son ejemplos de otras topologías de conmutación aisladas que se emplean actualmente. La disposición push-pull utiliza dos dispositivos de conmutación que comparten la corriente y son adecuados para aplicaciones de una potencia elevada. Esta topología emplea bobinados primarios y secundarios divididos con toma central, lo que precisa un transformador más caro. Las topologías de medio puente y de puente completo son similares a la push-pull, pero requieren un único bobinado primario. El medio puente utiliza dos dispositivos de conmutación y el puente completo, cuatro. (Véase la imagen 6).

Imagen 6: Esquema simplificado de un convertidor CC/CC aislado de puente completo

Regulación de salida
Además de basar el diseño de un convertidor CC/CC en una topología específica, decidir cómo regular la tensión de salida también es una cuestión importante. Regular la salida con precisión en cualquier condición de carga es especialmente importante para los procesadores con cargas de trabajo dinámicas que cambien rápidamente. Hay que devolver la tensión de salida a la función de conmutación PWM con rapidez y precisión para poder cambiar el ciclo de trabajo. Hoy en día, la mayoría de los CI de control de los convertidores CC/CC incluyen esta función, algo que se consigue fácilmente en una topología no aislada.
Sin embargo, mantener el aislamiento desde la entrada hasta a la salida requiere componentes adicionales, lo que aumenta el coste de la lista de materiales. Entre los métodos de retroalimentación aislada más conocidos se incluyen el uso de un transformador adicional o de un optoacoplador. La necesidad de componentes adicionales no solo aumenta el coste de la lista de materiales, sino también los requisitos de espacio de la placa de circuito impreso. Y en los actuales diseños, con limitaciones de espacio, el espacio de la placa de circuito impreso debe reducirse al mínimo. Además de ser necesario tener en cuenta el coste de la lista de materiales, conviene recordar que cuantos más componentes se utilicen en un diseño, más complejos serán los retos logísticos y de abastecimiento en materia de componentes. Al utilizar un mayor número de componentes, la fiabilidad del producto final también se verá afectada.

CI y módulos de convertidores CC/CC
Una innovadora solución reciente utiliza la detección del lado primario para proporcionar un método de regulación mucho más sencillo. Durante la fase «OFF» del retroceso, el CI del controlador detecta la salida secundaria reflejada a través del transformador. Un ejemplo de CI de controlador de retroceso «sin opto» es el Maxim MAX17687: véase la imagen 7.
Imagen 7: Ejemplo de CI de convertidor de retroceso sin opto y con un número mínimo de componentes para crear una salida de 12V/750mA a partir de una fuente de 16a 60V. El Maxim MAX17687 (fuente: Maxim)

El controlador MAX17687 incluye dos MOSFET en chip que pueden conducir una corriente primaria máxima de 3,2A. Empleando la técnica de detección del lado primario, la tensión de salida se regula en un intervalo de +/-1,2%. La frecuencia de PWM del CI puede programarse entre 100y 500kHz, y la eficacia de la conversión suele ser superior al 90%.
Un ejemplo de un módulo completo de convertidor de retroceso CC/CC es la serie Murata UWS-Q12 de estructura abierta y aislada, montada con tecnología de agujeros pasantes.
Los módulos suponen una atractiva alternativa al diseño de un convertidor CC/CC discreto. En primer lugar, simplifican significativamente el diseño del proceso de desarrollo, lo que podría permitir reducir considerablemente el tiempo de ingeniería. También son beneficiosos desde el punto de vista de la lista de materiales, ya que reducen el número de componentes y simplifican su logística. Otro aspecto que se debe tener en cuenta es que los módulos ya suelen estar certificados de conformidad con la normativa sobre CEM/IEM y con las normas de seguridad sanitaria, lo que simplifica aún más la aprobación de los productos.
La compacta serie UWS-Q12, con una eficiencia del 91%, ofrece las habituales tensiones nominales de salida única de 3,3, 5, 12, 15o 24V y puede suministrar hasta 54vatios a partir de una tensión de entrada de entre 9y 36V. Incluye un conjunto integral de funciones de autoprotección, como la protección frente a baja tensión de entrada y sobretemperatura. Imagen 8: El Murata UWS-Q12 (fuente: Murata)

La serie Traco TSR 1.5E es un método práctico para sustituir a los ineficientes y antiguos reguladores lineales y es una pieza plug and play de 1,5 A que utiliza una topología buck (o step down) no aislada para alcanzar una eficiencia de hasta el 97 % y se adapta a una amplia variedad de tensiones de entrada. Los dispositivos de la serie proporcionan 3,3 V CC (sustituye a la referencia 7803), 5 V CC (sustituye a la referencia 7805) y 12 V CC (sustituye a la referencia 7812).
TI ha adaptado la topología del convertidor reductor con su tecnología de control DCS (control directo y transición fluida). La topología DCS modificada consigue una respuesta transitoria, una regulación y unas características de ondulación significativamente mejores que las de un método reductor síncrono. TI suministra el convertidor como un CI de controlador, el TPS6282x, y como un módulo convertidor con un inductor integrado. La imagen 9 muestra el diagrama de bloques funcional del módulo convertidor reductor no aislado con los FET y el inductor integrados.

Imagen 9: Diagrama de bloques funcional del módulo convertidor buck (o step down) TPSM82821 de TI con el CI de controlador TPS6282x (fuente: TI)

La conversión energética simplificada
En este artículo hemos investigado algunas de las topologías de conversión energética CC/CC más habituales y hemos destacado algunos productos a modo de ejemplo. Los CI de convertidor son un método generalizado para la conversión CC/CC que es eficiente en términos de espacio y de lista de materiales. Los CI de convertidor de baja potencia que integran transistores de conmutación o FET son sumamente populares en muchos productos industriales, comerciales y de consumo. Los módulos de convertidores CC/CC que incorporan el CI de controlador, el inductor y todos los componentes adicionales son los más fáciles de integrar en un producto final y de conseguir.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
www.mouser.com