A diferencia de los reguladores lineales, los reguladores de conmutación utilizan las propiedades de almacenamiento de energía de los componentes inductivos y capacitivos para transferir energía. Por lo tanto, en este artículo discutiremos los reguladores de conmutación y sus características. También analiza la frecuencia de conmutación y el tamaño del inductor para los reguladores de conmutación.
A diferencia de los reguladores lineales, los reguladores de conmutación utilizan las propiedades de almacenamiento de energía de los componentes inductivos y capacitivos para transferir energía. Por lo tanto, en este artículo discutiremos los reguladores de conmutación y sus características. También analiza la frecuencia de conmutación y el tamaño del inductor para los reguladores de conmutación.
A diferencia de los reguladores lineales, que descargan el exceso de energía en forma de calor para limitar el voltaje de salida, los reguladores de conmutación aprovechan las propiedades de almacenamiento de energía de los componentes inductivos y capacitivos para transferir energía en paquetes de energía discretos. Un paquete de energía se almacena en el campo magnético de un inductor o en el campo eléctrico de un capacitor. Esta topología es muy eficiente porque el controlador de conmutación asegura que en cada paquete solo se transfiera la energía que la carga realmente necesita. La figura 1 muestra una estructura simplificada de un regulador de conmutación.
Transferir energía de entrada a salida en cantidades controlables requiere técnicas de regulación más complejas que los reguladores lineales. El tipo de control más común es PWM (modulación de ancho de pulso), donde la cantidad de energía transferida desde la entrada a la salida se modula mediante pulsos de ancho variable a intervalos de tiempo regulares. El ciclo de trabajo de PWM es la relación entre el tiempo de encendido t-ON (el tiempo durante el cual se extrae energía de la fuente de alimentación) y el período T (el recíproco de la frecuencia de conmutación f-OSC).
[tex]delta =frac{t_{en}}{T}hespacio{0,5 mm}[/tex]
[tex]dónde,[/tex]
[tex] T=frac{1}{f_{OSC}} [/tex]
En muchos reguladores de conmutación, el voltaje de salida regulado es directamente proporcional al ciclo de trabajo de PWM. El bucle de control utiliza un ciclo de trabajo de “señal grande” para controlar los elementos de conmutación de potencia. Por el contrario, un regulador lineal utiliza un bucle de servo de “señal pequeña” para limitar la corriente a través del transistor de paso. El control PWM es mucho más eficiente que el control lineal. Esto se debe a que las pérdidas principales no ocurren continuamente, sino solo en cada cambio de estado del interruptor. Un FET completamente encendido o completamente apagado disipa muy poca energía.
Frecuencia de conmutación y tamaño del inductor
El tamaño de los elementos de conmutación y almacenamiento en un regulador de conmutación es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación utilizada. La potencia que se puede almacenar en el inductor es:
[tex] P(L) = frac{LI^{2}f}{2} hspace{10mm} Storedhspace{1mm}Powerhspace{1mm}inhspace{1mm}anhspace{1mm} inductor [/tex]
La cantidad de energía almacenada en el inductor es proporcional a la frecuencia. Para una cantidad fija de almacenamiento de energía, por ejemplo, si la frecuencia se duplica, el tamaño de la inductancia L puede reducirse a la mitad.
El elemento capacitivo en la ecuación de potencia almacenada es:
[tex] P(C) = frac{CV^{2}f}{2}hspace{10mm}Storedhspace{1mm}Powerhspace{1mm}inhspace{1mm}ahspace{1mm} capacitor [/tex]
Una vez más, el tamaño del condensador se puede reducir a medida que aumenta la frecuencia sin sacrificar el almacenamiento de energía. Estas reducciones de tamaño físico son importantes tanto para los fabricantes como para los clientes. Esto permite paquetes de reguladores de conmutación más pequeños y menos espacio en la placa. Sin embargo, la reducción en el espacio requerido va de la mano con el aumento de las emisiones de ruido de RF con el aumento de la frecuencia de conmutación, por lo que existe una compensación de EMC que limita la frecuencia de conmutación práctica más alta a aproximadamente 500 kHz (puede funcionar para algunos muy pequeños). diseños). Funcionan por encima de 1 MHz, pero requieren un diseño de PCB muy cuidadoso y blindaje EMC).
Roberts, Steve. Libro del conocimiento de DC/DC. 1.2 Regulador de conmutación
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