Todo ingeniero o diseñador necesita una fuente de alimentación para alimentar sus circuitos. Tanto las industrias pequeñas como las grandes requieren estas fuentes de alimentación como la columna vertebral del funcionamiento de la máquina. Esto demuestra cómo se necesitan fuentes de alimentación en el campo de la electrónica.
Este tutorial proporciona consejos y pautas sobre cómo elegir la fuente de alimentación adecuada para su aplicación en particular. Se presentan los tres tipos de convertidores CC-CC más utilizados junto con una explicación detallada de su uso.
prólogo
Todo ingeniero o diseñador necesita una fuente de alimentación para alimentar sus circuitos. Tanto las industrias pequeñas como las grandes requieren estas fuentes de alimentación como la columna vertebral del funcionamiento de la máquina. Esto demuestra cómo se necesitan fuentes de alimentación en el campo de la electrónica.
Este tutorial proporciona consejos y pautas sobre cómo elegir la fuente de alimentación adecuada para su aplicación en particular. Se presentan los tres tipos de convertidores CC-CC más utilizados junto con una explicación detallada de su uso.
¿Por qué fuente de alimentación IC?
El objetivo principal de la mayoría de los circuitos integrados de potencia es la regulación. Estos dispositivos toman un voltaje de entrada no regulado y proporcionan un voltaje de salida regulado. En pocas palabras, estos circuitos integrados proporcionan un voltaje de salida estable con voltajes de entrada y corrientes de salida variables. De ahí provienen los nombres de reguladores lineales y de conmutación. Una excepción a esta simple definición es la bomba de carga. Según el dispositivo en particular, la salida de la bomba de carga puede o no estar regulada.
Un regulador puede producir un voltaje de salida regulado a partir de un voltaje de entrada regulado. En ese caso, la función del regulador es cambiar el voltaje de entrada a otro nivel de voltaje sin mejorar necesariamente la regulación de voltaje.
Puede tener la tentación de alimentar el circuito sin un regulador. De hecho, esto a veces puede funcionar. Por ejemplo, una batería puede alimentar un dispositivo portátil directamente. Sin embargo, este enfoque suele causar problemas. Los circuitos de los dispositivos portátiles normalmente funcionan correctamente solo dentro de un rango de voltaje estrecho específico. Esto es especialmente cierto para los microprocesadores y la memoria, especialmente cuando se requiere alta velocidad. Los microprocesadores, la memoria y muchos otros tipos de circuitos pueden hacer que el rango de voltaje en el que funcionan las baterías supere los niveles aceptables. Por lo tanto, agregar un regulador garantizará que el circuito reciba el voltaje adecuado.
regulador lineal
Los reguladores lineales son a menudo los más pequeños, generalmente los más baratos y siempre los menos ruidosos de los diversos tipos de circuitos integrados de fuente de alimentación. Ver Figura 1. Utilice un regulador lineal si se adapta a su aplicación. En particular, es más probable que los circuitos reguladores lineales funcionen correctamente la primera vez que los circuitos construidos alrededor de otros tipos de circuitos integrados de fuente de alimentación.
¿Cuál es la razón para usar un circuito integrado de fuente de alimentación que no sea un regulador lineal? Hay dos razones. Primero, un regulador lineal solo puede proporcionar un voltaje de salida menor que el voltaje de entrada. Como se mencionó anteriormente, si desea crear un voltaje más alto que el voltaje de entrada o un voltaje de polaridad opuesta, no tiene más remedio que usar un regulador de conmutación o una bomba de carga.
La segunda razón es la eficiencia. Convertir un voltaje a otro siempre desperdicia energía. En circunstancias ideales, el regulador no desperdicia energía. Su índice de eficiencia será del 100%. Si la mitad de la potencia entregada al regulador se entrega a la carga del regulador, su eficiencia es del 50%.
regulador de conmutación
Los reguladores de conmutación no tienen las ventajas de los reguladores lineales. Un regulador de conmutación consume más espacio en la placa (a menos que un regulador lineal necesite un disipador de calor para disipar la energía perdida internamente). Cuesta más. Produce más ruido que su homólogo lineal. Sin embargo, durante muchos años, los reguladores de conmutación han sido muy populares entre los diseñadores de fuentes de alimentación. ¿por qué?
Los reguladores de conmutación siguen siendo populares debido a su excelente eficiencia cuando se exponen a diferentes combinaciones de voltajes de entrada y corrientes de carga. (Los niveles pueden llegar al 96 % tanto para los conmutadores elevadores como para los reductores, pero los reductores suelen ser más eficientes, hasta un 90 % para los inversores). Además, si es necesario aumentar, reducir o invertir el voltaje, los reguladores de conmutación son los únicos dispositivos capaces de hacerlo con corrientes de carga superiores a aproximadamente 125 mA. Claro, las bombas de carga se pueden usar para realizar estas operaciones, pero las corrientes de carga que permiten estos dispositivos son limitadas. La incorporación de interruptores lo suficientemente grandes en la bomba de carga para manejar corrientes de carga por encima del nivel de 125 mA es demasiado costosa.
Un regulador de conmutación se llama así porque cuando se usa junto con un inductor, cambia un transistor de potencia que convierte de manera eficiente un voltaje a otro. Consulte la figura 2. Cuando estos transistores de potencia conmutan, lo hacen muy rápidamente porque las transiciones rápidas mejoran la eficiencia del regulador. Para entender por qué, primero considere la disipación de potencia del transistor de potencia cuando no está en transición. Cuando un transistor está apagado, aparece un voltaje a través de él, pero no fluye corriente. Por lo tanto, no se pierde energía. Cuando un transistor está encendido, puede aparecer un pequeño voltaje a través de él, aunque puede fluir una cantidad significativa de corriente. Por lo tanto, normalmente se pierde una pequeña cantidad de energía. Cuando un transistor de potencia pasa de un estado apagado a un estado encendido o viceversa, se desarrolla un voltaje a través del transistor y la corriente fluye a través de él. Por lo tanto, se puede perder una potencia considerable. Acelerar el proceso de conmutación reduce estas pérdidas de transición.
Para minimizar las pérdidas de energía asociadas con los diodos rectificadores en las fuentes de alimentación conmutadas, se puede utilizar una configuración síncrona. En una configuración síncrona, los diodos rectificadores se reemplazan por interruptores MOSFET. Este enfoque mejora aún más la eficiencia de los convertidores de conmutación. El MAX15023 es un ejemplo de un controlador reductor síncrono.
bomba de carga
Las bombas de carga constituyen la categoría menos entendida de circuitos integrados de potencia que se analizan aquí. Estos dispositivos realizan la misma función que los reguladores de conmutación pero sin inductores. En cambio, las bombas de carga utilizan condensadores para reducir, invertir o aumentar el voltaje que las alimenta. Consulte la figura 3.
Las bombas de carga vienen con salidas no reguladas y reguladas. Considere un circuito conectado a la salida de una bomba de carga no regulada. Entonces, la impedancia de salida de la bomba de carga es básicamente una resistencia fija. El uso de una bomba de carga no regulada en modo inversor proporciona un voltaje de salida igual al voltaje que alimenta el dispositivo, pero con la polaridad opuesta (por ejemplo, el MAX828). Como se mencionó anteriormente, la magnitud de este voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente de carga. Cuando se usan en modo 2x, estas bombas de carga duplican exactamente el voltaje aplicado (por ejemplo, el MAX1682), reduciendo el voltaje de salida a medida que aumenta la corriente de carga.
A medida que la bomba de carga cambia los condensadores conectados a ella, hace ruido. Este ruido suele ser menor que el ruido del regulador de conmutación. Hay tres razones principales para esto. Primero, la corriente de carga es más ligera. En segundo lugar, estos circuitos no contienen inductores, por lo que no generan ruido magnético. Finalmente, cuando la bomba de carga bloquea la corriente a través de los condensadores conectados a ella, no se producen picos de tensión. Un regulador de conmutación que corta la corriente a través de un inductor generalmente crea un pico de voltaje.
Las hojas de datos de la bomba de carga brindan la información necesaria para seleccionar solo los componentes externos necesarios cuando se usa una bomba de carga: capacitores. Los kits EV son menos necesarios y, por lo tanto, menos disponibles para las bombas de carga, pero los kits EV disponibles pueden proporcionar una forma rápida de determinar si una pieza es adecuada para una aplicación en particular.
Conclusión
Este artículo es muy útil para que los diseñadores conozcan la fuente de alimentación adecuada para su diseño. Se presentan los tipos de fuentes de alimentación más utilizados y se explican sus respectivas funciones, así como las ventajas de otros tipos de fuentes de alimentación. Elegir la fuente de alimentación adecuada es esencial porque el éxito de su diseño depende en gran parte de tener la fuente de alimentación adecuada.