Ann-Marie Bayliss, Senior Product Marketing Manager, Murata
La mayoría de los equipos electrónicos incorporan algún tipo de conversión CC/CC. La técnica de modo conmutado es una solución eficiente que permite elevar y reducir la tensión, además de proporcionar aislamiento, con pequeños componentes magnéticos. Este artículo ofrece una introducción a esta tecnología así como a algunas soluciones comerciales.
La conversión CC/CC ha sido un reto para los diseñadores de sistemas y productos que tuvo sus inicios en la “guerra de las corrientes” perdida por Edison frente a Westinghouse a finales del siglo XIX. La distribución de CA con una mayor potencia exigía tensiones cada vez más altas para que las corrientes siguieran siendo bajas y los cables tuvieran un diámetro razonable, pero esto solo se podía lograr fácilmente con transformadores. La CC solo se podía aumentar en aquella época por medio de plantas generadoras de gran tamaño y el resto ya es historia: Westinghouse ganó y la distribución de CA se generalizó durante el siglo XX.
El pasado siglo también marcó el inicio de la era de la electrónica, que sobre todo necesita CC para sus componentes, por lo que fue preciso convertir la tensión CA distribuida a CC. ¿Pero qué CC? Los circuitos pueden precisar cualquier valor, desde menos de 1V para un procesador hasta varios kV para el magnetrón de un horno de microondas, y a veces ambos. Si los carriles necesarios han ser exactos frente a los cambios en la carga y en la línea de CA, también se precisa una circuitería de regulación activa. Los primeros equipos utilizaban transformadores de 50/60Hz para reducir la CA a unas tensiones más bajas que luego pudieran ser rectificadas, filtradas a CC y reguladas a una tensión más baja por medio de un transistor en serie “lineal”. Pero cuando se tienen en cuenta la carga, la línea y las tolerancias, la potencia tomada de la línea de CA duplica aproximadamente la potencia de la carga en el peor de los casos. Además el transformador es grande, pesado y caro, por lo que esta solución dista de ser ideal. La tensión del carril de CC de un sistema no se puede aumentar de modo “lineal” en la práctica.
La conversión en modo conmutado resuelve el problema
La solución práctica para una conversión eficiente de CC, tanto para reducir como para elevar la tensión, es la técnica de “modo conmutado”. Cuando no se necesita aislamiento se usan convertidores reductores (“buck”) o elevadores (“boost”) o bien variaciones obtenidas a partir de ellos. El reductor (Figura 1, izquierda) “trocea” la CC de entrada a alta frecuencia, de manera que su promedio es más bajo y luego filtra la forma de onda resultante con un filtro LC. El transistor de “troceo” está totalmente conectado o desconectado; en ambos casos disipa poca potencia y la tensión de salida se fija por medio del ciclo de trabajo de la conmutación del transistor. El convertidor elevador (Figura 1, derecha) funciona de modo algo distinto: al trocear almacena energía alternativamente en el campo magnético del inductor y luego la libera. La energía se puede liberar a cualquier tensión escogida mayor que la entrada. Otras topologías de circuitos, como el reductor-elevador sencillo y Ćuk, pueden invertir la tensión, mientras que SEPIC, ZETA y otras pueden generar tensiones de salida positivas más bajas o más altas que la entrada.
Figura 1: Esquemas de convertidores CC/CC reductor y elevador.
La Figura 2 muestra un ejemplo de convertidor reductor de la serie 78SR de Murata [1]. Este módulo tiene un rango de entrada de 7,5V a 36V para una salida de 3,3V a 0,5A. Con su carga máxima y una entrada de 12V logra una eficiencia del 83% disipando unos 0,7W. Sus patillas son compatibles con los conocidos reguladores lineales de la serie 78xx, que disiparían nada menos que 4,35W bajo las mismas condiciones, por lo que necesitarían unos considerables disipadores de calor.
Figura 2: Convertidor reductor de la serie 78SR de Murata para una corriente nominal de 0,5A.
Si bien este dispositivo para inserción puede superar a un regulador lineal en cuanto a eficiencia, sus prestaciones pueden mejorar aún más por medio de módulos CC/CC en el punto de carga para montaje superficial y suministrados en encapsulados LGA (land-grid array). La serie MYMGA de Murata, por ejemplo [2], alcanza una eficiencia del 94% para su corriente con la máxima carga de 4A (versión de 5V). El tamaño del encapsulado es de tan solo 9mm x 10,5mm x 5,5mm.
A alta potencia, los convertidores reductores multifase reparten el esfuerzo de los componentes en interruptores e inductores duplicados y controlados en dos o más fases con condensadores comunes de entrada y salida. Para mejorar su eficiencia, estos reductores también usan rectificación síncrona de manera que el diodo rectificador, con su caída de tensión fija, es sustituido por un MOSFET cuya resistencia en conducción es baja.
A menudo hace falta aislamiento
Los convertidores reductores y elevadores más sencillos no proporcionan aislamiento galvánico, sino que sus conexiones a tierra de entrada y salida están conectadas. A menudo es necesario romper esta conexión para permitir que la salida “flote”. Esto se podría deber a que la entrada toma como referencia una tensión poco segura con el fin de evitar que circulen corrientes de tierra o simplemente para que la salida se pueda configurar como una tensión negativa conectando a tierra el positivo. Las topologías aisladas equivalentes al reductor y el elevador son los convertidores directo (forward) y de retroceso (flyback) (Figura 3), cuyo funcionamiento se puede ver como un inductor que hace las veces de transformador, por lo que un devanado aislado puede suministrar la salida de CC. Obsérvese el ajuste de las fases en los devanados del transformador.
Figura 3: Esquemas de los convertidores de retroceso o flyback (izquierda) y directo o forward (derecha).
Los convertidores CC/CC aislados son más difíciles de regular por completo ya que se ha detectar la tensión de salida y una señal de error ha de atravesar la barrera de aislamiento hasta el primario para controlar el ciclo de trabajo. No obstante, en ocasiones no se necesita regulación; si la CC de entrada es constante, solo las variaciones de la carga afectan a la salida, que podría cambiar solo en un pequeño porcentaje que suele ser aceptable. Una de las principales aplicaciones de los pequeños convertidores CC/CC aislados es la alimentación de interfaces de datos aisladas cuando la regulación no es imprescindible. Cuando varía la CC de entrada se puede recurrir a una “semirregulación”, es decir, a detectar un devanado primario del transformador como si fuera la salida. Ahora bien, para obtener una mejor exactitud, la tensión de salida se detecta de forma directa y se envía una señal de error al primario, generalmente por medio de un optoacoplador.
Cuando se requiere aislamiento por razones de protección, la separación y el aislamiento se complican. Las distancias en al aire y las líneas de fuga, así como la distancia del aislamiento sólido, dependen del nivel de protección exigido (básico, doble o reforzado, por ejemplo) y de otros parámetros como el grado de contaminación ambiental, la categoría de sobretensión de la entrada e incluso la altitud. La aplicación determina las normas aplicadas, por ejemplo para la conexión a paciente en el ámbito de la medicina, que exige una mayor distancia de separación que la industria. Puede existir cierta confusión acerca del grado de aislamiento; a menudo se anuncian dispositivos con una tensión de aislamiento de, por ejemplo, 3kVCC en las pruebas de producción, que puede parecer adecuada para aislar 230VCA. Sin embargo, se trata tan solo de una tensión de prueba obtenida puntualmente y no garantiza que ese dispositivo resista una tensión tan alta de manera continua. Los usuarios deberían buscar la certificación de una agencia de seguridad que especifique el nivel comprobado y a qué se refiere la “tensión del sistema”. Un convertidor CC/CC que aísle un circuito que tome como referencia la tensión de red de 230VCA de las conexiones que pueda tocar un usuario en un entorno doméstico o una oficina, podría mostrar un “aislamiento reforzado/ 250VCA a una altitud máxima de 5000m” según EN 62368-1, la norma de referencia para la seguridad en Europa.
La Figura 4 es un ejemplo de la serie NXJ de Murata de un convertidor CC/CC no regulado y derivado de un reductor (en realidad se trata de un push-pull) que simplemente convierte 5V a 5V con aislamiento certificado para aplicaciones médicas. Este producto aplica un novedoso método que consiste en incorporar el núcleo del transformador a las capas de la placa de circuito impreso, de manera que el devanado formado por los canales de paso y las vías de muchas capas de la placa.
Figura 4: La serie NXJ de Murata está formada por convertidores CC/CC para montaje superficial cuyo aislamiento está certificado.
Los convertidores resonantes son eficientes
El convertidor directo se encuentra disponible en numerosas versiones con diferentes ventajas e inconvenientes, a menudo determinadas por el equilibrio entre eficiencia, coste y tamaño de la aplicación para una determinada potencia y unos niveles específicos de conversión de tensión. Para optimizar la eficiencia se utilizan a menudo convertidores “resonantes” cuya conmutación es “suave”; es decir, conmutan mientras la corriente o la tensión es cero. Esto acaba con los picos momentáneos de potencia disipada si coinciden una alta tensión y una alta corriente. Hay muchas topologías resonantes pero una muy empleada actualmente para potencias bajas y medias es “LLC”. Este circuito aplica pulsos a un tanque LC, en general justo por encima de su frecuencia resonante, que luego pasan como ondas sinusoidales a un devanado de carga en el secundario dentro del inductor del tanque por la acción del transformador. La regulación se logra variando la frecuencia del pulso, que transmite más o menos energía por el transformador como resultado del aumento de la impedancia inductiva del circuito LC con una frecuencia superior a la resonancia.
A alta potencia, el esfuerzo de los transistores de conmutación del LLC resulta inaceptablemente elevado por lo que se suele recurrir a una topología de “puente completo con desplazamiento de fase”. Se trata de otro circuito resonante en una configuración de puente con cuatro interruptores pero funciona con una frecuencia fija y la regulación se logra variando la fase relativa de las formas de onda de control en cada ramal del puente. Esta tecnología se utiliza en Convertidores de Bus Intermedio como la serie DRQ de Murata.[5]
Figura 5: Gama DRE de Murata.
Los convertidores CC/CC de condensadores conmutados no necesitan componentes magnéticos
Un convertidor CC/CC no aislado no necesita un inductor o un transformador: se puede recurrir a una topología de condensadores conmutados con condensadores de carga conectados en serie o en paralelo y colocarlos en paralelo o en serie para reducir o elevar las tensiones, respectivamente, en múltiplos discretos. Con anterioridad, las caídas de tensión en interruptores y diodos habían limitado la eficiencia pero con MOSFET modernos y rectificación síncrona se puede superar el 96% a 72W como ocurre con la novedosa tecnología de condensadores conmutados Psemi de Murata (Figura 5) [3]. Generalmente la regulación no es activa y la reducción o elevación sigue una proporción fija, 3 o 4 en [3] pero la técnica sin inductor se presta a métodos modernos de fabricación y a productos de perfil bajo.
Figura 6: Tecnología de condensadores conmutados Psemi de Murata.
Los teléfonos móviles exigen una conversión con la máxima eficiencia
Los convertidores CC/CC no aislados de menor potencia se suelen emplear en muchos dispositivos electrónicos de uso generalizado, como los teléfonos móviles, en los cuales es importante prolongar la autonomía de la batería. Esto se ve facilitado por la alta eficiencia de todas las etapas de la conversión de potencia. Los convertidores que regulan una salida cuando la entrada es más alta o más baja que la tensión de salida son especialmente valiosos que una batería pierde carga y su tensión de salida cae. Estos convertidores se suelen llamar reductores-elevadores (“buck-boost”), aunque siendo estrictos proporcionan una salida negativa que no siempre resulta útil. El convertidor SEPIC mencionado antes (Figura 5) es ampliamente utilizado para suministrar una tensión positiva cuando la entrada es superior o inferior a la salida. Q1 en el siguiente esquema funciona como rectificador síncrono. L1 y L2 pueden ser inductores separados o arrollados en el mismo núcleo.
Figura 7: El convertidor SEPIC funciona con una tensión de entrada superior o inferior a la salida.
Convertidores con un rango muy amplio de tensión CC de entrada
Disponer de un solo convertidor CC/CC que pueda funcionar con múltiples tensiones de la batería puede simplificar las aplicaciones en las que el fabricante del equipo no está seguro de qué batería utilizará el cliente; por ejemplo, en las aplicaciones ferroviarias la batería puede ser desde 24V hasta 110V dependiendo del fabricante de la locomotora y de la región geográfica. Los convertidores IRH250 / IRQ150 de Murata solucionan este problema con su rango de tensión CC de entrada de 16V – 160V CC.
Figura 8: Convertidores IRH250 de Murata con un rango muy amplio de tensión CC de entrada.
Los requisitos de la automoción son exigentes
Los pequeños convertidores CC/CC utilizados en sistemas de automoción pueden estar sometidos a entornos adversos y grandes exigencias de tipo eléctrico. Los requisitos de prueba de la normativa AEC-Q en automoción no suelen ser aplicables a los convertidores de potencia, por lo que a menudo se clasifican como “módulos multichip” para AEC-Q104. El fabricante del dispositivo también debe disponer de la certificación TS 16949 para su sistema de gestión de calidad, mucho más exigente que la conocida norma ISO 9001. La serie NXJ de Murata mostrado en la Figura 4 es un ejemplo de dispositivo con certificación AEC-Q104.
Este artículo ha revisado de forma somera el tema de la conversión CC/CC pero con suerte habrá arrojado algo de luz acerca de los tipos de diseños, sus prestaciones y sus aplicaciones.
