La combinación de alta frecuencia de conmutación y capacidad de alto voltaje es difícil de lograr en el diseño de circuitos integrados. Sin embargo, las fuentes de alimentación para automóviles se pueden diseñar para funcionar a altas frecuencias si se protegen de condiciones transitorias de alto voltaje. La operación de alta frecuencia se está volviendo importante a medida que los automóviles modernos incorporan cada vez más funciones electrónicas. Este artículo analiza varias formas de proteger la electrónica de bajo voltaje de los duros efectos del entorno eléctrico automotriz. También se incluyen los resultados de las pruebas de laboratorio para la inmunidad al ruido.
prólogo
La creciente densidad de la electrónica automotriz presenta desafíos y oportunidades únicos para los diseñadores de sistemas de energía. La mayoría de los módulos automotrices requieren un voltaje bajo, como 5 V o 3,3 V, pero el uso de un regulador de voltaje lineal para reducir el voltaje de la batería consume una cantidad considerable de energía. La pérdida de energía excesiva hace que la gestión térmica sea difícil y costosa. Como resultado, los crecientes requisitos de energía de los procesadores y ASIC más rápidos han cambiado el método preferido de conversión de energía de una regulación lineal simple, de bajo costo pero ineficiente a convertidores de conmutación más complejos pero eficientes.
Ventajas de los convertidores de conmutación.
Los componentes pasivos, como los inductores de potencia y los condensadores de potencia, pueden ser físicamente más pequeños a frecuencias de conmutación más altas, por lo que el tamaño de un convertidor de conmutación depende de la frecuencia de conmutación. Al reducir el consumo de energía, los convertidores altamente eficientes también eliminan la necesidad de disipadores de calor voluminosos y costosos. Por lo tanto, los convertidores de conmutación pueden reducir el tamaño de la fuente de alimentación general. Estas ventajas hacen que los convertidores de conmutación sean una opción cada vez más atractiva para la administración de energía en aplicaciones automotrices, como la electrónica de la carrocería, los sistemas de infoentretenimiento y los módulos de control del motor.
Consideraciones para seleccionar un convertidor de conmutación
La elección de la frecuencia de conmutación es importante porque los convertidores de conmutación tienen su propio conjunto de problemas. El ruido electromagnético generado por su frecuencia de conmutación fundamental y sus armónicos puede interferir con otros equipos electrónicos. Por ejemplo, los receptores de radio AM son sensibles a la interferencia en el rango de 530 kHz a 1710 kHz. Por lo tanto, cambiar las frecuencias por encima de 1710 kHz elimina la interferencia fundamental y armónica de la banda de frecuencia AM. Los datos de prueba muestran que los procesos de media tensión y alta frecuencia utilizados con protectores simples como los dispositivos de Maxim son una excelente solución para abordar las necesidades de administración de energía automotriz. En última instancia, está claro que los diseñadores no necesitan controladores de alto voltaje para diseñar estos convertidores de conmutación.
La conmutación de alta frecuencia también aumenta las pérdidas de energía, compensando parcialmente los beneficios del uso de convertidores de conmutación. Las pérdidas por conmutación son proporcionales al cuadrado de la tensión de funcionamiento y empeoran con tensiones de entrada más altas. Desafortunadamente, los típicos circuitos integrados de control de potencia automotriz requieren procesos de alto voltaje (40 V y más) para soportar descargas de carga y otros transitorios de sobrevoltaje. Los procesos de alto voltaje dan como resultado geometrías más grandes, puertas más gruesas, longitudes de canal más largas y retrasos de propagación más largos. Estos procesos intrínsecamente lentos también son ineficaces porque los tiempos más largos de subida/bajada del interruptor dan como resultado mayores pérdidas de transición.
Los procesos avanzados disponibles para los diseñadores de Maxim son adecuados para convertidores de ultra alta velocidad que funcionan a niveles de voltaje moderados. Por ejemplo, un convertidor reductor-elevador de 2,2 MHz de salida dual (MAX5073) puede soportar entradas de hasta 23 V. El funcionamiento desfasado del convertidor permite una frecuencia de conmutación efectiva de 4,4 MHz.
Teniendo en cuenta que un convertidor de conmutación debe ser inmune a la interferencia de la fuente de alimentación, puede preguntarse: “¿Realmente necesitamos un circuito integrado con capacidad de alto voltaje para aplicaciones automotrices?” La siguiente discusión responde a esta pregunta al describir las perturbaciones comunes a los sistemas de potencia de los automóviles y cómo proteger los sistemas electrónicos de bajo voltaje de esas perturbaciones.
Estado OV temporal
En los automóviles, la mayoría de las condiciones de OV transitorias se deben a la conmutación de cargas inductivas. Tales cargas incluyen motores de arranque, bombas de combustible, motores de ventana, bobinas de relé, solenoides, componentes de encendido e inductancias de circuitos distribuidos. La interrupción de la corriente en cualquiera de estas cargas inductivas generará un pulso OV. Dependiendo de la amplitud y la duración involucradas, se utilizan filtros, varistores de óxido de metal (MOV) o supresores de voltaje transitorio para suprimir tales transitorios OV. Las figuras 1-4 muestran los requisitos de supresión basados en el estándar ISO7637.
