Los microcontroladores se utilizan en muchos sistemas para controlar múltiples convertidores CC/CC en el punto de carga (Point-Of-Load, POL),formando así un sistema de control híbrido para gestionar el comportamiento del sistema durante el arranque, supervisar los parámetros eléctricos y gestionar el consumo de energía de los subsistemas periféricos.No obstante, pueden encontrarse soluciones más sofisticadas en placas madre de ordenadores, tarjetas gráficas otarjetas (blades) de CPU en servidores, donde los módulos reguladores de tensión (Voltage Regulator Modules, VRM) se comunican directamente con su carga y ajustan las tensiones de alimentación y/o adaptan incluso su característica de control en función de unas condiciones temporales de funcionamiento.Este tipo de gestión y control “inteligente” de la conversión de la alimentación ofrece notables ventajas desde el punto de vista de la eficiencia total del sistema, las prestaciones y la fiabilidad. Se trata, en otras palabras, los aspectos más importantes en los mercados de la industria, medicina, automoción y consumo.

Desde hace casi una década Microchip Technology Inc. se ha centrado en aplicaciones de conversión inteligente de potenciapara ofrecer más funciones y una mayor capacidad para todo tipo de aplicaciones de conversión de potencia. Uno de sus principales centros de interés ha sido, y sigue siendo, el control totalmente digital de los convertidores/inversores de potencia que utilizan microcontroladores de altas prestaciones basados en DSP con periféricos muy dedicados de alta velocidad y alta resolución, así como familias de controladores dedicados para sistemas de control híbrido que combinan microcontroladores y lazos de control totalmente basados en electrónica analógica. Si se observan con más detenimiento estas soluciones, resulta evidente que ni las soluciones híbridas basadas en electrónica analógica ni las soluciones totalmente digitales son 100% analógicas o 100% digitales. Ambas necesitan con urgencia a sus homólogas analógicas y digitales para superar ciertas limitaciones y ofrecen por tanto un determinado potencial para las aplicaciones a las que se dirigen. La familia más reciente de controladores inteligentes de conversión de potenciaMCP191xx marca un nuevo salto tecnológico al conseguir que los convertidores sean más inteligentes y se centra en topologías y aplicaciones dedicadas del convertidor de potencia.

Los primeros miembros de esta familia de productos MCP19111 fusionan un controlador de convertidor reductor (buck) síncrono de altas prestaciones analógico y un microcontrolador de 8bit en un CI monolítico, ofreciendo así funciones avanzadas y flexibles de configuración, control y supervisión, así como la posibilidad de integrar comunicación estandarizada o propietaria para disponer de múltiples convertidores en una estructura de gestión de mayor potencia.A diferencia de otros controladores POL híbridos existentes, los MCP19111 son totalmente programables en lenguaje C.Esta ventaja ofrece una total flexibilidad para ajustar el dispositivo a diferentes requisitos de aplicación,adaptarse a ciertas condiciones de funcionamiento, implementar tareas de supervisión en general e incorporar funciones personalizadas.

El amplio rango de tensiones de entrada de 4,5V a 32V CCy tensiones de salida a partir de 0,5V, junto con controladores que pueden alcanzar hasta 2A (fuente) /4A (consumo), abren la posibilidad de ofrecer soporte a una amplia variedad de aplicaciones.

Avances digitales
La disponibilidad de un controlador digital y el regulador analógico conmutado en la misma pastilla de semiconductor posibilita la incorporación de funciones analógicas y control digital para una manipulación directa del circuito de compensación, la frecuencia de conmutación, el control de tiempo muerto, los umbrales al nivel del sistema y otras muchas funciones durante el tiempo de funcionamiento. Además, dado que el propio microcontrolador está integrado en la arquitectura del regulador analógico conmutado, se ha suprimido la necesidad de otras funciones de alimentación auxiliares o de controladores de MOSFET externos.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de alto nivel del controlador analógico de potencia mejorado digitalmente MCP19111 junto con un circuito de aplicación típico.La sección del regulador analógico conmutado cubre por completo todos los componentes del lazo analógico de control, incluyendo los controladores del MOSFET, y también incorpora la alimentación auxiliar para el microcontrolador.La sección digital comprende un núcleo de microcontrolador de gama media PIC12F de 8bit con 8kB de Flash y 256 bytes de RAM.También ofrece hasta 15 GPIO, de las cuales ocho son entradas analógicas adicionales, un interface de comunicación serie basado en I?C/SMbus,interrupciones externas y tres temporizadores libres.Muchas señales internas, como la tensión de entrada, la tensión de salida o la corriente del inductor, se pueden supervisar directamente en el propio chip sin necesidad de sensado externo.
La implementación digital permite incluso la lectura del valor del ciclo de trabajo de la corriente, una característica muy útil que se había visto reservada hasta ahora únicamente, por muchas razones de tipo técnico, a controladores totalmente digitales.

Maximización de la eficiencia
Además de su mayor capacidad de supervisión, la integración monolítica de un núcleo digital también proporciona un acceso directo a muchos parámetros que generalmente son fijos por hardwareo inaccesibles en silicio.Los más destacables son el tiempo muerto ajustable,los compensadores programables, la calibración interna de realimentación, los umbrales de protección programables e incluso la capacidad de conmutación entre el control el modo de corriente y tensión en pleno funcionamiento.

Bandas muertas ajustables
En los convertidores reductores síncronos el ajuste del tiempo muerto entre el conmutador del lado de alto y bajo potencial (high-side y low-side) tiene una notable influencia sobre la eficiencia total del sistema. Si los controladores analógicos ofrecen algún tipo de ajuste del tiempo muerto, el diseñador ha de plantearse alguno de los casos más desfavorables que tengan en cuenta las temperaturas y las cargas más elevadas, y en los cuales el tiempo muerto generalmente debe ser máximo, y “programar” este valor en hardware, p.ej. mediante la colocación de condensadores y/o resistencias. Esto da como resultado inevitablemente unas mayores pérdidas en el núcleo y el diodo ya que el convertidor muy probablemente no se verá expuesto nunca a estos casos más desfavorables.

Una solución adecuada consistiría en adaptar automáticamente el tiempo muerto a ciertas condiciones de carga y temperatura. Por desgracia la incorporación de un detector de cruce por cero para gobernar siempre los interruptores con un tiempo muerto óptimo presenta serias limitaciones por dos razones. En primer lugar, los detectores analógicos de cruce por cero de todo tipo se basan en comparadores. Los comparadores analógicos más rápidos (asequibles) se caracterizan por unos tiempos de retardo de propagación típicos de 15-20ns que son, ante los resultados mostrados en la figura 3, demasiado lentos para alcanzar el nivel óptimo. En segundo lugar, este detector de cruce por cerodebería funcionar en el modo conmutado del medio puente en el que el ruido de conmutación a alta frecuencia necesitaría filtros, lo cual ralentizaría el disparador aún más y dejaría sin efecto esta función.

No obstante, cuando falla el dominio analógico el dominio digital ofrece una solución. La técnica más habitual utilizada para lograr esta optimizaciónconsiste en supervisar y analizar las condiciones de salida del convertidor hasta que sea estable. En cuanto se detecta un funcionamiento estabilizado, el tiempo muerto se modifica y se supervisa el ciclo de trabajo en el interruptor del lado de alto potencial (high-side). La teoría de esta técnica para convertidores de tensión constantees que, bajo las condiciones de estado estacionario, el tiempo más corto en conducción del interruptor en el lado de alto potencial determinael punto de máxima eficiencia, dando que en este punto se debe extraer la menor cantidad de potencia del bus para ofrecer una potencia constante a la salida (ver Figura 2).

La Figura 3 muestra los resultados de un solo barrido a lo largo de un rango definido de valores de ajuste del tiempo muerto durante su funcionamiento en estado estacionario, medidos en un banco de test. La línea verde indica el tiempo muerto aplicado al flanco ascendente del interruptor en el lado de alto potencial. La curva roja ofrece la evolución del tiempo en conducción del interruptor en el lado de alto potencial para diferentes valores del tiempo muerto,mientras que la línea negra de puntos señala su aproximación de 3er orden.

El rango para el barrido del tiempo muerto se determine mediante la caracterización del sistema y la definición de un caso más favorable (el tiempo muerto más corto) y un caso más desfavorable (el tiempo muerto más largo).El barrido se realiza con la máxima resoluciónde 4nspara un 90% de carga (Vin = 12V, Vout = 3,3V, Iout = 9A).En el lado izquierdo del gráfico, el ciclo de trabajo empieza con valores cercanos a 1,394 µsy cae con rapidez en cuanto aumenta el tiempo muerto.En esta zona el interruptor del lado de alto y de bajo potencial ya muestra cierto solapamiento y parte de la energía consumida desde la entrada se conduce directamente a tierra.

Para tiempos muertos de unos 25ns el tiempo en conducción alcanza su mínimo de 1,384 µsy empieza a aumentar de nuevo cuando se incrementa aún más el tiempo muerto.En un diseño noajustable, el tiempo muerto se habría ajustado como mínimo a 70ns para los interruptores utilizados, de manera que el tiempo en conducción típico para este modo de funcionamiento habría sido de 1,395 µs. De acuerdo con la ecuación III de la figura 2, la diferencia entre el tiempo en conducción original y optimizado en el lado de alto potencial tiene una anchura de 11ns. A primera vista no parece gran cosa, pero en este convertidor de alta frecuencia representa un incremento del ~0,9% de la eficiencia respecto a un aumento de la eficiencia total de ~92% a 93%.

Frecuencia de conmutación ajustable y red de compensación
Una característica muy atractiva es la capacidad de ajustar la red de compensación y la frecuencia de conmutación por software. Esto no solo facilita el ajuste básico durante la configuración, sino que también permite realizar ajustes en pleno funcionamiento. Éste ha sido hasta ahora el ámbito inviolable de los controladores totalmente digitales. En las topologías de conmutación dura como los convertidores reductores síncronos, las pérdidas en conmutación son las principales responsables de la mayoría de las pérdidas de potencia. Con el fin de mejorar la eficiencia, especialmente para cargas pequeñas, la reducción de la frecuencia de conmutación puede contribuir a mejorar notablemente la eficiencia total del convertidor. Sin embargo, cuando la frecuencia de conmutación se reduce mientras la red de compensación es fija por hardware, generalmente las ganancias empiezan a caer y ello puede dar como resultado una pérdida del margen de fase y de ganancia. Para compensar este efecto es necesario ajustar las ganancias del sistema. El MCP19111 ofrece registros para ajustar la tensión de rampa del generador PWM, la frecuencia cero (frecuencia de resonancia en el origen, que define el primer polo), la ganancia total y la ganancia de la pendiente así como la propia pendiente. Existen además los conjuntos de registros para ajustar el offset del amplificador y la ganancia del sensado de corriente. Aunque esta técnica pudiera exigir un proceso de profunda caracterización del sistema, descubre la posibilidad de introducir mejoras significativas en cuanto a eficiencia y estabilidad.

Optimización de la eficiencia con cargas muy pequeñas
En los convertidores reductores asíncronos las pérdidas de potencia en el diodo de circulación libre se determinan mediante la caída de tensión directa multiplicada por la corriente. Dado que existe una caída significativa de la tensión directa en el diodo de forma permanente que no se puede minimizar, a menudo se utiliza un interruptor adicional con caídas de tensión notablemente más reducidas para puentear/sustituir el diodo,constituyendo así un rectificador síncrono. Esta técnica se suele emplear cuando se necesitan corrientes de carga superiores a 1A. No obstante, para pequeñas cargas, cuando circula una baja corriente por el interruptor en el lado de bajo potencial, la potencia necesaria para controlar la puerta supera los ahorros obtenidos mediante el puenteo del diodo de circulación libre con un interruptor. Para obtener mayores mejoras de la eficiencia bajo estas condiciones concretas, el MCP19111 ofrece el denominado modo de emulación del diodo, que cuando se activa desconecta el controlador en el lado de bajo potencial. Si el controlador está desactivado, la puerta ya no se polariza y el diodo de la estructura del MOSFEThará las veces de rectificador, minimizando así las pérdidas de potencia.

Este tipo de medida para minimizar las pérdidas parciales de potencia e incrementar la eficiencia total se puede potenciar mediante la nueva familia de MOSFET de potencia MCP870xx de Microchip. Esta familia de MOSFET rápidos de potencia con una baja RDS(on) y un factor de mérito bien equilibrado ofrece una serie de combinaciones de resistencia en conducción respecto a la carga total de puerta para optimizar el factor de mérito total del medio puente.Cuanto mayor es la QTdel interruptor en el lado de bajo potencial, más efectivo es el modo de emulación de diododel MCP19111.

Optimización del funcionamiento sin carga
Los MCP19111 son controladores en modo corriente para ofrecer las mejores prestaciones durante su funcionamiento normal. No obstante, un controlador en modo de corriente necesita que como mínimo circule algo de corriente para su correcto funcionamiento. Cuando la carga pasa a funcionar en modo de espera de bajo consumo, la salida del convertidor aún ha de seguir suministrando la tensión de salida nominal, pero la potencia de salida puede ser casi cero. Los controladores en modo corriente suelen conmutar a algún tipo de funcionamiento con señales transitorias oen modo pulso-frecuencia (Pulse-Frequency-Mode, PFM) con un mayor rizado de salida, lo cual puede superar las tolerancias de regulación de línea y a menudo puede provocar también serios problemas de EMI. Para superar esta limitación de los típicos controladores en modo corriente, los MCP19111 se pueden conmutar a un pseudocontrol en modo de tensión desactivando el lazo de corriente, lo cual da como resultado una mejora de la tensión de salida y de la estabilidad del sistema.

Usabilidad y paquete de herramientas
La impresionante lista de funciones avanzadas de MCP19111 ofrece un extraordinario número de opciones paraconfigurar y optimizar el sistema. La programabilidad abierta del microcontrolador añade más grados de libertad. Por tanto Microchip ofrece el interface gráfico de usuario (Graphical User Interface, GUI)mostrado en la Figura 4, que se puede utilizar para realizar ciertos ajustes y configuraciones sin necesidad de escribir código. Este GUI funciona con un firmware de código abierto que se puede modificar y utilizar como plantilla para desarrollar funciones individuales más avanzadas.
Además del interface de configuración, Microchip ofrece un segundo GUIpara funciones de test, permitiendo así que el usuario establezca una comunicación directa con el dispositivo mediante el protocolo PMbus (ver Figura 5). Este GUI funciona con el analizador serie PICkit de Microchip (Referencia DV164122), que es un interface genérico de bajo costede USB a UART/SPI/I?C y se puede emplear directamente para supervisar y depurar el dispositivo durante su funcionamiento.

Resumen
Aunque se conocen la mayoría de las técnicas y los dispositivos existentes incorporan algunas funciones, la familia MCP19111 abre un nuevo capítulo en la historia de los reguladores conmutados inteligentes. La densidad de funciones dedicadas, junto con la programabilidad gratuita, marcan una fuerte diferencia. En el mundo de los controladores inteligentes de potencia, el MCP19111 aporta métodos de control analógicos y digitales y elimina las limitaciones existentes al poner a disposición del ingeniero todas las funciones, por lo que constituye la base de convertidores POL de altas prestaciones, innovadores, eficientes y fiables.

Autor:

Por: Andy Reiter, Microchip Technology Inc.

Andreas Reiter Director Técnico de Desarrollo del Negocio para Electrónica de Potencia en Europa
Microchip Technology

Andreas Reiter nació en 1973 y estudió ingeniería médica y física en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich. A partir de 2000 trabajó como ingeniero de desarrollo y luego como director de I+D en la industria de automatización, antes de centrarse en las aplicaciones de electrónica de potencia como ingeniero de aplicaciones en 2007. Desde 2010 es responsable de I+D orientado a aplicación de métodos y soluciones de control totalmente digital en aplicaciones de electrónica de potencia en Microchip Technology Inc.

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