Capítulo 4. Sistemas de energía
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Proporcionar alimentación al sistema puede ser una cuestión sencilla, pero en los sistemas complejos puede convertirse en un problema de diseño importante. La alimentación y la toma de tierra (P&G) son comunes a todo un sistema y pueden ser un punto de fallo humeante, una vía común de entrada de ruido en todo el sistema o una vía en la que la demanda de energía en un lugar afecta al rendimiento en otro.
Una alimentación de CA segura, escenarios de fallo seguros, cuestiones de cumplimiento normativo, niveles de ruido adecuados en la alimentación, ciclos de subida/bajada controlados y una alimentación estable bajo cargas muy variables forman parte de un sistema fiable. El objetivo es comprender las opciones disponibles entre los convertidores de potencia y cómo configurar el sistema de potencia. Rara vez es necesario diseñar un convertidor CA/CC desde cero, ya que hay muchos convertidores disponibles en el mercado que se implementan fácilmente en un sistema.
Tras la conversión inicial de alimentación CA/CC, suelen necesitarse elementos adicionales como regulación local, tensiones múltiples para distintos circuitos, derivación de alta frecuencia, desacoplamiento selectivo de dispositivos, monitores de alimentación y controles de ciclos de alimentación. Además, existen varios escenarios de fuente de alimentación: batería desechable, batería con capacidad de carga, convertidor CA/CC externo o convertidor CA/CC dentro del sistema.
Este capítulo trata de todos ellos y destaca sus similitudes y diferencias.
Corriente alterna monofásica
¿En qué consiste la red eléctrica de CA ? En Estados Unidos, a nivel residencial(Figura 4-1), la red eléctrica de CA alimenta un transformador reductor y de distribución local que crea una salida de "sistema de fase dividida 120/240".
Figura 4-1. Potencia de CA de fase dividida, reducción de la red eléctrica comercial
La Figura 4-2 muestra ambas señales de línea desde el secundario del transformador reductor. Lo que llega a una toma de pared típica (120 VCA 60 Hz en Estados Unidos, y 50 Hz en el resto del mundo) es un sistema de tres hilos compuesto por una señal de línea (también conocida como caliente), el neutro y la toma de tierra. El neutro es la toma central del secundario del transformador reductor de la red de CA.
Figura 4-2. Señales de potencia de CA de fase dividida
El neutro y la tierra sólo se conectan en el transformador de distribución de corriente alterna. Antes de 1960, el cableado residencial era de dos hilos solamente, sin la seguridad de tierra, lo que producía dispositivos inseguros en muchos escenarios de fallo.
Seguridad de la alimentación de CA: Definición del problema
Cuando lleva alimentación de CA directamente a un dispositivo, la implementación debe considerarse cuidadosamente en el diseño. Hacer las cosas mal con la alimentación de CA puede conducir a dispositivos mortales y a resultados llenos de humo.
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos utilizan internamente alimentación de CC de bajo voltaje, suministrada desde un convertidor CA/CC externo, lo que permite a la mayoría de los diseñadores permanecer felizmente ajenos a los requisitos de seguridad de los productos de alto voltaje. Muchos productos eléctricos antiguos (anteriores a 1960) eran intrínsecamente inseguros o podían llegar a ser mortales con un solo fallo. Se solían utilizar cajas metálicas (antes de que se generalizara el uso de plásticos), y la falta de una conexión de seguridad a tierra era una combinación mortal. Afortunadamente, la mayoría de los dispositivos eléctricos anteriores a 1960 han sido retirados o sustituidos por productos más nuevos, por lo que la mayoría de esos dispositivos ya no se utilizan.
Partición de alta y baja tensión
Diseñar con entradas de alimentación inferiores a 50 V se clasifica como tensión extrabaja (ELV), y eso simplifica las cosas. Los requisitos en materia de seguridad recaen principalmente en todo lo clasificado como alta tensión (AT), es decir, el convertidor CA/CC.
La Figura 4-3 muestra un método que se utiliza habitualmente, en el que tanto el convertidor de CA/CC como el sistema electrónico están encerrados en una caja metálica conductora y se conecta una toma de tierra de seguridad a la toma de tierra de seguridad de la red de CA. Este método tan extendido se emplea habitualmente en muchos ordenadores personales de sobremesa.
Figura 4-3. AT protegida con CC ELV protegida
Los aparatos ELV se subdividen en ELV separados (no se utiliza ninguna vía de retorno a tierra) y ELV protegidos (se conecta una toma de tierra de seguridad). La norma de seguridad IEC 62368-1 (Requisitos de seguridad para equipos de audio/vídeo, información y tecnología de la comunicación) se ha convertido en la norma más utilizada para la seguridad de los ELV.
La Figura 4-4 muestra un método alternativo, en el que la envolvente es un aislante y no está conectada a tierra. Para cumplir los requisitos de seguridad en la parte de alta tensión, se utiliza una técnica de doble aislamiento. Los dispositivos de doble aislamiento utilizan dos capas de aislamiento protector, de modo que si falla una capa, el dispositivo sigue siendo seguro de manejar.
Figura 4-4. AT de doble aislamiento con CC ELV separada
Para los dispositivos ELV, los requisitos de seguridad son mínimos, siendo generalmente suficiente algún tipo de protección contra sobrecorriente y una carcasa no conductora .
En la Figura 4-5, una fuente de alimentación CA/CC está en una estructura de doble aislamiento y tiene una salida de cable de alimentación ELV. Existen muchas versiones comerciales de este tipo, con pruebas reglamentarias completas ya realizadas. Utilizando este tipo de fuente de alimentación CA/CC, los diseñadores pueden crear su sistema electrónico como una entidad separada que requiera el menor número posible de pruebas ELV. Este enfoque es omnipresente y se utiliza en infinidad de dispositivos electrónicos de consumo.
Figura 4-5. AT independiente de doble aislamiento alimentando un dispositivo ELV separado
Métodos de Fallo Seguro y Escenarios de Fallo Único Seguro
La seguridad de funcionamiento normal de es el principio, pero cuando algo se rompe, los sistemas de energía también necesitan un método de fallo seguro. El concepto de seguridad de fallo único es sencillo: cualquier elemento del sistema puede fallar en estado de circuito abierto o de circuito cerrado, o puede entrar en contacto con cualquier otro elemento del sistema y no causar peligro al usuario.
La introducción de una vía de retorno de seguridad a tierra en el cableado eléctrico moderno permitió disponer de un sistema seguro en la mayoría de las situaciones de fallo único, en las que la caja conectada a tierra, junto con una conexión de línea con fusible, podía mantener a salvo un dispositivo.
Las principales normas reglamentarias de seguridad para los sistemas de energía son:
IEC 61140: Protección contra descargas eléctricas Aspectos comunes para la instalación y el equipo
IEC 62368-1: Equipos de audio/vídeo y de tecnología de la información y la comunicación, Parte 1: Requisitos de seguridad
En este capítulo se hace referencia a estas normas. Los diseñadores deben adquirir las últimas versiones.
Según IEC 61140, los dispositivos que utilizan una estructura metálica de chasis y carcasa que está unida a una conexión de seguridad a tierra se definen como dispositivos de Clase I. Su seguridad contra fallos depende de la presencia de una toma de tierra externa correctamente conectada. Algunos dispositivos sólo tienen conexiones de línea y neutro, y cumplen los requisitos de seguridad utilizando una estructura de doble aislamiento. En estos dispositivos, el cableado y los circuitos internos están dentro de una caja aislante secundaria. De este modo, el dispositivo puede tener un fallo único sin exponer a los usuarios a un contacto de alta tensión.
Los dispositivos con doble aislamiento se consideran dispositivos de Clase II y la redundancia de seguridad del dispositivo no depende de una toma de tierra externa. En consecuencia, los dispositivos de doble aislamiento son populares en las herramientas eléctricas, debido a que siguen siendo seguros cuando se conectan a la corriente eléctrica con vías de tierra cuestionables, como ocurre con frecuencia en los entornos de construcción.
Los sistemas ELV son dispositivos de Clase III según la norma reglamentaria IEC 61140.
Si el convertidor CA/CC de se coloca dentro del producto, todo el producto tiene que cumplir los requisitos de seguridad de Clase I o Clase II de una caja con toma de tierra o una configuración de doble aislamiento. Utilizar un convertidor CA/CC externamente elude esa restricción y es un enfoque popular del problema.
Métodos de protección contra sobreintensidades y el eslabón más débil
Sobrecorriente la protección es la forma más básica de protección del sistema. Hay cuatro formas habituales de apagar las cosas en una situación de sobrecorriente:
Fusibles
Disyuntores
Fusibles rearmables poliméricos de coeficiente positivo de temperatura (PTC o PPTC)
Métodos de circuito activo
Fusibles se utilizan habitualmente por su sencillez y bajo coste. Sin embargo, los fusibles pueden ser demasiado lentos, requieren una sustitución manual para reiniciar el sistema y no son terriblemente precisos. En algunas situaciones, es deseable controlar tanto la corriente como el tiempo necesario para que el fusible haga su trabajo. Sin embargo, la cantidad de sobrecorriente y el tiempo de activación son interactivos, así que no esperes rapidez y precisión de un fusible.
No obstante, el fusible suele ser lo bastante rápido y preciso. Esto, combinado con su bajo coste, sencillez y fiabilidad, hace que los fusibles sean la solución a la que recurrir en muchos casos. Si se espera que el fusible se funda sólo cuando falle algo importante en la placa de circuito impreso (PCB), se puede utilizar un fusible de montaje superficial soldado con un coste mínimo y una fiabilidad excelente. En muchos casos no es necesario sustituir los fusibles, y el montaje en zócalo es innecesario.
Los disyuntores del circuito sufren muchas de las limitaciones de los fusibles, siendo la velocidad y la precisión "suficientemente buenas" para la mayoría de las situaciones. Para obtener la comodidad de un dispositivo rearmable, se paga una penalización en coste y tamaño.
Un disyuntor es considerablemente más caro que un fusible. Además, la fiabilidad de los disyuntores puede resentirse en entornos hostiles debido a problemas de corrosión interna si no están herméticamente sellados. Generalmente, se recurre a los disyuntores cuando el diseñador prevé situaciones frecuentes de sobrecorriente debido a la aplicación.
Los dispositivos poliméricos de coeficiente positivo de temperatura (ampliamente conocidos como dispositivos PTC o PPTC) pueden considerarse fusibles autorrearmables. Se calientan, debido a la corriente de sobrecarga, y pasan a un modo de alta resistencia, limitando la corriente hasta que se enfrían, y entonces vuelven a un estado de baja resistencia.
Los dispositivos PTC tienen una resistencia interna de activación/desactivación que no es ideal, pero sirven bien en situaciones en las que es deseable el restablecimiento automático. El PTC tiene limitaciones de precisión y tiempo de respuesta, como todos los dispositivos de disparo térmico. No obstante, por lo general, el PTC puede incluirse en una placa de circuito impreso para obtener una solución de diseño de bajo coste.
La protección activa de circuitos para la detección y desconexión por sobrecorriente tiene muchas variantes. El concepto básico es un conjunto de circuitos de detección de corriente y/o tensión para determinar si la potencia aplicada está fuera de los límites especificados, lo que activa los controles de circuito adecuados para desconectar o limitar el rendimiento.
Los sistemas de circuitos activos pueden ser rápidos y precisos si es necesario. El precio que se paga aquí es la complejidad y el coste. Con frecuencia, este enfoque no es necesario y resulta adecuado uno de los métodos más sencillos.
Muchos convertidores de CA/CC de conmutación utilizan métodos de circuito activo en su diseño para proteger los circuitos que pueden autodestruirse más rápidamente de lo que puede responder un fusible. Busca esta característica cuando selecciones convertidores de CA/CC. Busca información que indique que el dispositivo es "autoprotector" o "protegido contra sobrecorriente" o "de corriente limitada" en la especificación.
Independientemente del método de protección contra sobrecorriente , el sistema debe asegurarse de que el "eslabón más débil" es el dispositivo de protección real. Si las trazas de la placa de circuito impreso se funden con 1 A de corriente y el dispositivo de protección se abre con 2 A, algo no se diseñó correctamente. Además, los parámetros del punto de desconexión de la protección deben tener en cuenta tanto las corrientes mín./máx. sostenidas como las de arranque. Como pauta sencilla, suele ser adecuado fijar el valor del fusible en el doble de la corriente máxima observada en el funcionamiento normal del circuito.
Los sistemas pueden tener secciones de alta corriente y de baja corriente, en las que un fallo en la sección de baja corriente requiere una desconexión de protección de menor valor para esa parte del sistema. Un error de diseño habitual es utilizar un único apagado por sobrecorriente en una situación en la que una parte de baja corriente del sistema se autodestruye, ya que se alimenta en paralelo con la parte de alta corriente del sistema.
Puede ser útil el monitoreo térmico de dispositivos de alta potencia, con control de protección incorporado en el sistema. Para algunos dispositivos, esto proporciona otra capa de seguridad y capacidad para someterlos a tensiones cercanas a sus límites térmicos sin que se autodestruyan. Los dispositivos más antiguos utilizaban termopares o termistores, pero los monitores térmicos basados en silicio con interfaces digitales a un controlador local son un enfoque más moderno. La mayoría de los microprocesadores modernos de alto rendimiento utilizan sensores térmicos dentro del CI (IED: Sense).
Conversión CA/CC
Muy pocos aparatos electrónicos de utilizan directamente corriente alterna. La mayoría de los aparatos utilizan corriente continua, y la mayoría de los aparatos electrónicos modernos utilizan fuentes de alimentación de 5 V o menos.
Los sistemas con motores de CC u otros dispositivos de alta potencia pueden necesitar tensiones más altas. Por eso, el primer convertidor del sistema será un convertidor CA/CC, con tensión suficiente para soportar los dispositivos de alta tensión.
El enfoque clásico: transformadores de 60 Hz
Como muestra en la Figura 4-6, el enfoque clásico de la conversión CA/CC utiliza un transformador a 60 Hz (o 50 Hz, según el país). Parece sencillo: reducir la tensión de CA, hacer pasar la tensión de CA reducida por un puente de diodos y filtrar la CA rectificada para obtener una salida de CC.
Aunque la idea es sencilla, algunas piezas suelen ser grandes y caras. El problema aquí es la baja frecuencia de la corriente alterna. Un transformador de 60 Hz será voluminoso y pesado. Para la misma potencia nominal, el tamaño del transformador disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Además, el condensador del filtro de salida tiene que mantener con precisión la tensión de salida bajo cargas de alta corriente entre los picos rectificados de la forma de onda de 60 Hz. Esto requiere el uso de un condensador de filtro electrolítico de gran tamaño. Aumentando la frecuencia, se puede reducir el tamaño tanto del transformador como del condensador de filtro. La industria aeronáutica suele utilizar corriente alterna de 400 Hz para aprovechar esta ventaja.
Figura 4-6. Convertidor CA-CC clásico de 60 Hz con transformador de núcleo de hierro
Hay métodos mejores que meter CA de 60 Hz en un transformador.
Conmutadores fuera de línea
Las limitaciones de del convertidor CA-CC de 60 Hz se sortean con un método de conversión en modo conmutado conocido comúnmente como conmutador fuera de línea(Figura 4-7). Este método rectifica la tensión de la línea de CA y utiliza C1 para mantener una tensión de CC alta cuando el rizado y la precisión no son críticos. Esa tensión continua se pulsa rápidamente a través del primario de T1 con un conmutador. La frecuencia de conmutación es muy superior a 60 Hz, utilizándose habitualmente de 10 KHz a 1 MHz.
Aunque parecen más complejos, los conmutadores fuera de línea ofrecen varias ventajas. El uso de una frecuencia más alta permite utilizar un transformador (T1) y un condensador de filtro de salida (C2) mucho más pequeños. La CC de alta tensión en C1 puede variar mucho, por lo que C1 no necesita ser muy grande.
Este método se utiliza hoy en día en casi todos los convertidores CA/CC, con implementaciones de pequeño factor de forma ilustradas por los numerosos cargadores USB y de teléfonos móviles que se acomodan fácilmente en el espacio de un enchufe de CA.
Figura 4-7. Convertidor CA/CC con conmutador fuera de línea
Existe una amplia selección de convertidores CA/CC de conmutación fuera de línea que se pueden adquirir en el comercio. El método del transformador de 60 Hz es mucho más grande y costoso de implementar. Debido a ello, el transformador reductor de 60 Hz está en gran medida obsoleto en la electrónica de consumo.
El convertidor CA/CC suele proporcionar una única tensión de CC y suele seleccionarse para que sea la tensión de CC más alta que necesita el sistema. A continuación, se utilizan otros reguladores de potencia, para la conversión CC/CC, para completar los requisitos de potencia del sistema.
Sistemas Multi-PCB: La Necesidad de Regulación Local de Potencia
En la Figura 4-8, la impedancia de los cables de alimentación y de tierra, combinada con las cargas de corriente dinámicas, creará tanto rebote de tierra como caída de potencia en varias placas de circuito. Un diseño puede reducir este efecto con cables más cortos (menor inductancia) y más gruesos (menor resistencia), pero no lo eliminará. En consecuencia, un diseño multi-PCB debe hacer frente a la variación de la tensión de tierra y de potencia entre las PCB.
La solución más utilizada son los reguladores independientes en cada placa de circuito impreso para crear las tensiones necesarias localmente(Figura 4-8). Los sistemas con varias placas de circuitos pueden utilizar un convertidor CA/CC común para distribuir una tensión de CC "bruta". Esta tensión continua debe tener "margen", es decir, varios voltios más que el mínimo requerido por cada una de las placas satélite. Con el margen de tensión añadido, el regulador de tensión local puede eliminar los efectos del rebote a tierra entre placas y la caída de tensión, y cada placa podrá tolerar la variación de P&G en la entrada de alimentación.
Figura 4-8. Sistemas multi-CPB con regulación local de tensión
Muchos sistemas industriales distribuyen corriente continua bruta a 36 V, 24 V o 12 V, según lo que requieran las placas de circuito impreso de los satélites. Utilizar directamente una tensión de CC creada fuera de la placa de circuito impreso sin un regulador local nunca será consistente ni silencioso, y con frecuencia provoca fallos durante las pruebas reglamentarias de compatibilidad electromagnética (CEM). Por lo tanto, hay que regular la fuente de alimentación localmente en la misma placa de circuito impreso donde se utilice.
Conversión CC/CC: Lineal frente a conmutada
Los reguladores de potencia pueden dividirse en dos grupos, reguladores lineales y reguladores de conmutación, que utilizan métodos claramente distintos para proporcionar una salida de tensión constante. Los reguladores lineales incluyen los reguladores seguidores de emisor y los reguladores de baja caída (LDO). Los reguladores conmutados incluyen los convertidores buck, que reducen la tensión; los convertidores boost, que aumentan la tensión; y los convertidores buck-boost, que pueden reducir o aumentar la tensión de salida. Existen otras configuraciones de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), pero éstas son las más utilizadas.
Reguladores lineales: Conceptual
Conceptualmente, un regulador lineal (Figura 4-9) utiliza la división de tensión adaptativa. A medida que cambia Rload, un circuito de detección/control ajusta el regulador para mantener Vout.
En la Figura 4-9, un transistor de potencia hace las veces de resistencia variable. Lo importante es reconocer que este método crea una tensión de salida quemando energía dentro del regulador. Por lo tanto, no esperes un uso eficiente de la energía cuando implementes un regulador lineal. Además, la potencia disipada (P quemada) por el dispositivo puede ser bastante alta dependiendo de la corriente (Iout) y de la caída de tensión (Vin - Vout) a través del regulador. Hay que tener muy en cuenta la potencia disipada para que el regulador no falle térmicamente.
Figura 4-9. Regulador lineal conceptual
Las principales ventajas de los reguladores lineales son que son eléctricamente silenciosos, tanto en emisiones radiadas, como en la creación de una tensión de salida bastante silenciosa. Las grandes desventajas son que son energéticamente ineficientes y a menudo no son viables para grandes caídas de tensión de entrada a salida.
Reguladores seguidores de emisor frente a LDO
La Figura 4-10 muestra la versión más antigua del regulador lineal, la configuración de seguidor de emisor. Un circuito de detección y control aplica una tensión de control adecuada a la unión base-emisor de un transistor para producir la tensión de salida. El transistor sirve como la mitad superior del divisor de tensión y se suele implementar con un dispositivo bipolar NPN. Cuando la tensión de control sube, la tensión de salida le sigue. Debido al diseño interno del circuito, la tensión de entrada suele tener que ser 2 V superior a la tensión de salida para funcionar correctamente.
Figura 4-10. Regulador de tensión lineal, seguidor de emisor
La configuración de regulador seguidor de emisor se utiliza ampliamente en la serie 7800 (7805, 7812, etc., de múltiples proveedores) de reguladores de tensión que están disponibles desde 1970.
La Figura 4-11 muestra una variante más moderna del regulador lineal, el regulador LDO. El regulador LDO utiliza un transistor de potencia que requiere que la tensión de control presentada al transistor de potencia baje para aumentar la tensión de salida. Esto se hace con un transistor bipolar PNP o un MOSFET PMOS. Al hacer esto, se reduce en gran medida la tensión de entrada necesaria para mantener una salida adecuada.
Los dispositivos LDO suelen funcionar hasta una tensión de entrada 100 mV superior a la de salida. Debido a esta capacidad, el LDO es ampliamente aceptado como un regulador lineal más versátil que la configuración de seguidor de emisor. Sin embargo, el LDO sigue teniendo las limitaciones de ser un método de divisor de tensión activo y el uso ineficiente de energía asociado.
Los reguladores LDO también pueden presentar algunos problemas de estabilidad de realimentación si no se cargan y compensan adecuadamente según las recomendaciones del vendedor para sus dispositivos específicos. Lee atentamente la documentación de la aplicación para evitar problemas.
Figura 4-11. Regulador de tensión lineal, baja caída
Convertidor reductor conmutado (Buck)
El convertidor reductor de conmutación , comúnmente llamado convertidor Buck, utiliza métodos de ciclos de trabajo variables para reducir una tensión de entrada(Figura 4-12). El conmutador se enciende y se apaga a una frecuencia alta (de 10 KHz a 1 MHz es lo habitual), mientras que un sistema de realimentación de control determina el periodo de tiempo durante el cual el conmutador permanece encendido.
Figura 4-12. Convertidor reductor conmutado, conceptual
Un mayor porcentaje de tiempo encendido produce una mayor tensión de salida(Figura 4-13).
Figura 4-13. Ciclo de trabajo variable de frecuencia constante de conmutación
Cuando se enciende a un ciclo de trabajo cercano al 100%, la tensión de salida será cercana a la tensión de entrada. Una reducción del ciclo de trabajo proporcionará tensiones proporcionalmente más bajas en la salida. El almacenamiento de energía para una tensión de salida constante se mantiene en el condensador, que se alimenta a través del inductor mediante elVin (interruptor cerrado) o el colapso del campo magnético del inductor (interruptor abierto).
El diodo actúa como conmutador pasivo, limitando el lado de entrada del inductor para que no transite por debajo de tierra cuando el conmutador está abierto. Las frecuencias de conmutación más altas permiten inductores y condensadores de menor valor, lo que permite implementaciones de pequeño tamaño y bajo coste. La eficiencia energética del convertidor Buck es muy alta, normalmente superior al 90%, con algunas pérdidas debidas a características no ideales de los componentes.
Aunque la tensión de salida global permanece constante bajo carga, una inspección minuciosa de la tensión de salida(Figura 4-14) muestra que la conmutación crea cierta variación en la salida. Todos los reguladores de conmutación presentan este comportamiento; una variante de unos pocos mV es habitual en situaciones de estado estacionario. La amplitud del ruido depende de la frecuencia de conmutación, la carga de corriente de salida, el valor del inductor y el valor del condensador. Debido a este ruido de conmutación, el uso de reguladores de conmutación puede no ser apropiado en algunas situaciones sensibles al ruido.
Figura 4-14. Ruido del convertidor de conmutación en la salida
Sin embargo, este ruido de la fuente de alimentación sigue siendo adecuadamente bajo para proporcionar una calidad de alimentación aceptable para la mayoría de las aplicaciones. Los reguladores de conmutación son una solución versátil y de alta eficacia para todas las situaciones de alimentación digital, y pueden utilizarse para algunos circuitos analógicos. Por ello, el uso de reguladores de conmutación para alimentar circuitos analógicos debe considerarse cuidadosamente caso por caso.
En la Figura 4-15 se muestra una implementación típica, con R1 yR2 que permiten una tensión de salida seleccionable mediante la detección de realimentación (FB) y la capacidad de habilitar (EN) el dispositivo mediante un controlador digital externo.
Figura 4-15. Convertidor reductor conmutado (buck) implementado
Las implementaciones del convertidor Buck pueden incluir la variación de la frecuencia de conmutación, el diodo puede ser interno al CI, las versiones de alta potencia pueden utilizar un interruptor de transistor de potencia externo, se puede utilizar un interruptor activo en lugar del diodo para mejorar la eficiencia, y las resistencias de detección de realimentación pueden ser internas al CI para las versiones de tensión fija.
Convertidor elevador (Boost) conmutado
El convertidor elevador de conmutación , conocido como convertidor elevador, utiliza las características reactivas de un inductor para crear una tensión por encima de la tensión de entrada(Figura 4-16). Al cerrar el interruptor, la corriente aumenta en el inductor. Al abrir el interruptor, V = L di/dt crea una tensión positiva del inductor en el nodo Vsw, que está en serie con la tensiónVin. Esto excita el diodo, descargando carga en el Cfilt y dando como resultado un Vout por encima de la tensión de entradaVin.
El interruptor se enciende y se apaga a una frecuencia alta (de 10 KHz a 1 MHz es lo habitual) mientras un sistema de retroalimentación de control determina el ciclo de trabajo del interruptor. Un mayor porcentaje del interruptor abierto vierte más corriente en Cfilt, lo que se traduce en una mayor tensión de salida.
El almacenamiento de energía para una tensión de salida constante se mantiene en el condensador, que se alimenta a través del diodo cuando el interruptor está abierto. El diodo también sirve como interruptor pasivo cuando el interruptor está cerrado, aislando el Cfilt mientras se repone el campo magnético en el inductor.
Figura 4-16. Convertidor elevador (boost), conceptual
Al igual que en el convertidor Buck, el uso de altas frecuencias de conmutación permite utilizar inductores y condensadores de menor valor, lo que permite implementaciones de pequeño tamaño y bajo coste. En la Figura 4-17 se muestra una implementación típica, con R1 yR2 que permiten una tensión de salida seleccionable mediante la detección de realimentación (FB) y la capacidad de habilitar (EN) el dispositivo mediante un controlador digital externo.
Figura 4-17. Convertidor elevador conmutado (boost), implementado
Las variaciones del convertidor elevador pueden incluir cambios en la frecuencia de conmutación, el diodo puede ser interno al CI, las versiones de alta potencia pueden utilizar un interruptor de transistor de potencia externo, se puede utilizar un interruptor activo en lugar del diodo para mejorar la eficiencia, y las resistencias sensoras de realimentación pueden ser internas al CI en las variantes de tensión fija.
Convertidor Buck-Boost conmutado
Un convertidor buck-boost puede subir o bajar la tensión de salida. Según la Figura 4-18, cuando SW1 se controla activamente y SW2 se deja abierto, el dispositivo funciona como un convertidor buck. Con SW1 cerrado y SW2 controlado activamente, el dispositivo funciona como un convertidor elevador.
Figura 4-18. Convertidor buck-boost conmutado, conceptual
En una aplicación típica(Figura 4-19), el circuito de control interno determina qué modo se necesita en función de la tensión de entrada disponible y de la tensión de salida objetivo.
Figura 4-19. Convertidor buck-boost conmutado, implementado
El convertidor combinado buck-boost es una herramienta útil cuando se utiliza una fuente de alimentación de entrada muy variable, como una batería. En estas aplicaciones, el convertidor reduce la tensión de la batería hasta la tensión de salida objetivo hasta que la batería se ha descargado lo suficiente como para caer por debajo del objetivo de salida, y entonces cambia de modo a un convertidor elevador para ampliar el rango útil de la batería .
Elegir reguladores y configurar un sistema eléctrico
La mejor forma de montar un sistema de alimentación es con algunos ejemplos. La Figura 4-20 es el primer ejemplo y tiene un sistema controlador de motor de 12 V, un bloque lógico que funciona a 2,5 V, un microcontrolador anfitrión (MCU) que necesita 3,3 V y algunos circuitos analógicos que necesitan 5 V. Se trata de un dispositivo enchufable que utiliza un convertidor CA/CC.
La configuración de la alimentación aquí es bastante sencilla. Un conmutador fuera de línea de 12 V de salida realiza la conversión CA/CC y se utilizará para alimentar directamente el controlador del motor. Los motores pueden ser de alta corriente, pero se tolera una cantidad limitada de caída de tensión durante los arranques de alta corriente.
Los motores también son inmunes a la mayor parte del ruido de potencia, y el controlador del motor puede compensar algunas variaciones de potencia. La corriente nominal del convertidor CA/CC tiene que soportar la corriente de arranque del motor, la corriente del motor en estado estacionario bajo carga máxima y los demás componentes electrónicos.
Al seleccionar un convertidor CA/CC , además de las especificaciones de tensión y corriente, busca dispositivos que sean autoprotectores y limitadores de corriente, y considera detenidamente las especificaciones de ondulación y ruido de salida, ya que la aplicación puede tener requisitos especiales. Si el producto va a ir a mercados fuera de Estados Unidos, considera dispositivos que funcionen tanto con 50/60 Hz como con 110/220 VCA sin necesidad de cambiar ajustes o conexiones.
La lógica de 2,5 V(Figura 4-20) se puede proporcionar fácilmente desde un convertidor Buck. La MCU necesita 3,3 V y también puede utilizar un convertidor Buck. La alimentación de la MCU está siempre activada y, como control central del sistema, controla todas las demás fuentes de alimentación. Esto permite el apagado selectivo de los dispositivos periféricos y una secuencia organizada de encendido y apagado que proporciona un comportamiento predecible y seguro del sistema.
El bloque analógico que necesita 5 V de potencia no es sencillo. Hay que saber más cosas, concretamente cuánta corriente se necesita y cómo de crítica es la potencia de bajo ruido para el circuito. Si el circuito puede tolerar el ruido de alimentación asociado a una fuente conmutada, es el método más eficiente desde el punto de vista energético. Pero teniendo en cuenta que se trata de una aplicación "plug-in-the-wall", la eficiencia energética no es una gran prioridad.
Utilizar aquí un regulador lineal proporciona una alimentación silenciosa, pero sería ineficiente desde el punto de vista energético. Sin embargo, el regulador de salida de 5 V tiene una entrada de 12 V, y eso significa una caída de 7 V a través del regulador lineal que se disipará en forma de calor. En este caso, si la corriente sube a 140 mA, la potencia quemada en el regulador lineal sube a 1 W. Si la corriente es baja y la potencia silenciosa es importante, un regulador lineal funcionaría.
Comprueba cuidadosamente la disipación de potencia de cualquier regulador lineal. En muchos casos, el regulador de conmutación con algún filtrado puede ser una alternativa viable.
Por último, el sistema utiliza una protección por fusible de 5 A en el circuito del motor, que consume una corriente de 3 A en el peor de los casos, y un fusible de 0,5 A en la alimentación de la electrónica. El uso de dos fusibles se debe a la alta corriente del circuito del motor. Si se utilizara un solo fusible, en caso de avería la electrónica de baja corriente tendría que superar los 5 A y eso probablemente estaría por encima del nivel de corriente destructiva de la electrónica. El fusible de 0,5 A lo mitiga.
Figura 4-20. Ejemplo de dispositivo enchufable de varias fuentes de alimentación
Otras opciones posibles en este caso son un PTC en la electrónica para protección, y un disyuntor en el circuito del motor si la aplicación del motor está en un entorno mecánico que se cala o entra en sobrecarga con frecuencia.
Si nos fijamos en el segundo ejemplo de , que se muestra en la Figura 4-21, el sistema de alimentación incluye un sistema de batería y cargador. Este ejemplo utiliza un pack de baterías de litio con cuatro baterías en serie y dos en paralelo (ocho celdas en total, 4S-2P). Cuando se aplica el cargador, el sistema de alimentación ve 18 V, y cuando las baterías están muy descargadas, el sistema de alimentación ve 10 V (IED: Batería).
Todo tiene que funcionar en ambos extremos de tensión. Un circuito necesita 12 V, lo que requiere un convertidor buck-boost que funcione en modo buck hasta que la batería baje de 12 V y luego cambie a modo boost. Examina los requisitos de ruido del circuito de 12 V, que pueden indicar la necesidad de un filtro en la salida del convertidor. El bloque digital que utiliza una alimentación de 0,9 V se alimenta fácilmente de un convertidor buck.
La MCU funciona con 3,3 V y siempre se alimenta del sistema de baterías mientras controla las fuentes de alimentación del resto del sistema. El bloque final funciona con 2,5 V y requiere una entrada de alimentación de bajo ruido. Este dispositivo es un buen candidato para un regulador lineal, utilizando un LDO que se alimente de 3,3 V. Los 0,8 V de margen son suficientes para que un dispositivo LDO funcione sin una gran caída de tensión y la potencia asociada que se pierde en forma de calor.
Examina cuidadosamente la sensibilidad al ruido de los circuitos y considera la necesidad de filtrar tanto antes como después del LDO para proporcionar unos 2,5 V silenciosos. El ruido de alta frecuencia puede acoplarse a través de los reguladores de tensión, y puede ser necesaria una estrategia de filtrado de entrada y salida en situaciones muy sensibles al ruido.
Figura 4-21. Múltiples fuentes de alimentación: ejemplo de batería y cargador
Tanto los sistemas de pilas recargables como las pilas desechables tendrán necesidades similares para seguir funcionando con una amplia variación de la tensión de alimentación.
Incluidos los monitores de la fuente de alimentación
Un complemento útil de al sistema de control de potencia es la capacidad de monitorizar las tensiones de salida de los reguladores. Añadir un divisor de tensión a una tensión de salida(Figura 4-22) y devolverla a un puerto de convertidor analógico-digital (ADC) disponible en la MCU anfitriona puede ser útil para comprobar las fuentes de alimentación o ayudar en un ciclo secuenciado de encendido/apagado. El divisor de tensión (R1,R2) existe para escalar Vout hasta el rango medio del ADC de la MCU.
Figura 4-22. Monitoreo de las fuentes de alimentación
Derivación de potencia, desacoplamiento y filtrado
Muchas de las MCU multiuso del mercado tienen alguna capacidad analógica limitada, como puertos ADC. Algunos de estos controladores separan la alimentación con conexiones de alimentación digital y analógica. Esto brinda una buena oportunidad para aclarar la diferencia entre un condensador de derivación y una conexión de alimentación desacoplada(Figura 4-23).
A menudo, las patillas de alimentación analógica se pueden desacoplar localmente. Para ello, utiliza una perla de ferrita y, a continuación, un bypass de baja frecuencia (Calf) y un bypass de alta frecuencia (Cahf) directamente en la patilla. Se puede utilizar un filtro de potencia de paso bajo amortiguado en lugar de la perla de ferrita si se necesita un mayor rechazo del ruido de entrada de potencia.
La Figura 4-23 ilustra la diferencia entre derivación y desacoplamiento de las conexiones de alimentación. Ambos términos suelen intercambiarse o utilizarse incorrectamente. Aquí, los condensadores (Cdlf,Cdhf) puentean la potencia V para mantener la estabilidad de alta frecuencia. La combinación de la perla de ferrita (FB-LQ) y los condensadores (Calf, Cahf) sirve como filtro de paso bajo (LPF) para desacoplar la patilla de alimentación analógica del ruido de conmutación digital presente en el nodo Vpower. El desacoplamiento implica una impedancia en serie en la conexión de alimentación, y puede ser útil en situaciones en las que la carga desacoplada no necesite fuertes corrientes transitorias.
Figura 4-23. Alimentación MCU, digital bypass, analógica desacoplada
Reducción del ruido radiado: Snubbers RC, Ferritas y Filtros
En además de que los reguladores de conmutación crean una potencia algo ruidosa, también inyectarán ruido de vuelta a la fuente de alimentación de la que se alimentan. La implementación de muchos convertidores de conmutación incluye componentes(Figura 4-24) para reducir el ruido de alta frecuencia que bombean a las redes eléctricas, irradiando así interferencias electromagnéticas (EMI).
En este ejemplo, tanto la entrada como la salida tienen un LPF con una perla de ferrita (FB1, FB2), y condensadores de alta frecuencia del tamaño adecuado a ambos lados de la perla de ferrita. Si se necesita más aislamiento, se puede sustituir por una red de paso bajo amortiguada por una red RLC.
Además del filtrado de entrada/salida, se coloca un amortiguador RC (Rsnub, Csnub) en el nodo conmutado. El snubber RC proporciona una vía de conexión a tierra de baja impedancia para el ruido de alta frecuencia generado en este nodo conmutado (IED: EMI y ESD).
Figura 4-24. Reducción del ruido mediante snubbers y ferritas
Los valores específicos del snubber RC dependen de la frecuencia del convertidor y del tamaño de los transistores internos. Los fabricantes de convertidores conmutados deben proporcionar los valores de los componentes adecuados para sus dispositivos.
Reducción del ruido de salida de potencia: Redes LPF amortiguadas y reguladores en cascada
En algunas situaciones puede ser necesario un filtrado de orden superior. Para un enfoque de diseño en profundidad de los métodos de filtrado paso bajo amortiguado, Tompsett esboza una metodología de diseño detallada; consulta "Lecturas complementarias".
Otros enfoques incluyen el uso de un convertidor de conmutación, al que sigue un regulador lineal que reduce aún más el ruido. Este método en cascada permite una salida de bajo ruido al tiempo que mantiene minimizadas las pérdidas de potencia asociadas a los reguladores lineales .
Sobretensiones de corriente en la red eléctrica debidas a la lógica digital
La Figura 4-25 muestra que el uso de lógica CMOS digital plantea retos especiales a la hora de mantener estable la red eléctrica de CC. La conmutación de transición de cualquier lógica CMOS hace que tanto los transistores NMOS como los PMOS estén encendidos al mismo tiempo durante la transición de estado. El resultado es un cortocircuito resistivo entre P&G en la transición de estado de cada puerta lógica. Este pico de corriente, conocido como shoot-through, cuando se reproduce entre las innumerables puertas lógicas de cualquier dispositivo digital, crea tanto EMI de banda ancha como demandas de corriente de alta frecuencia en la alimentación.
Esto es especialmente problemático debido a los controladores de E/S dentro de un CI digital. La E/S tiene grandes transistores utilizados en los circuitos de E/S del chip, que crean grandes corrientes de paso. El espectro de ruido está distribuido en frecuencia y no es sólo la frecuencia de reloj fundamental, sino que también incluye muchos armónicos.
Figura 4-25. Paso de corriente digital
Debido a la corriente de paso, cualquier impedancia en las vías de alimentación o de tierra crea variaciones en las tensiones locales de P&G. Se necesitan planos P&G de baja impedancia.
Planos de Potencia y Tierra de Baja Impedancia
Debido a los picos de corriente de , la impedancia de las conexiones P&G debe mantenerse lo más baja posible. Para ello, es preferible utilizar capas dedicadas de P&G dentro de la placa de circuito impreso, salvo en los diseños más sencillos. Las interconexiones punto a punto no son suficientes.
En la Figura 4-26, el Caso A ilustra una interconexión de potencia hipotética con tres valores de potencia diferentes utilizando conexiones punto a punto. El caso B ilustra que todas las conexiones presentan inductancia y harán que la tensión a través de la conexión de potencia varíe dinámicamente en función de las corrientes transitorias creadas por los dispositivos alimentados. El caso C ilustra la conexión de los mismos puntos con una conexión de baja impedancia. Colocar este plano de alimentación segmentado sobre un plano de tierra sólido permite estabilizar en banda ancha las tensiones de alimentación con condensadores de derivación.
Figura 4-26. Conexiones de alimentación con interconexión de baja inductancia
Filtrado de derivación de la fuente de alimentación: Estabilización Distribuida
En además de la estrategia de interconexión de baja impedancia, el uso de capacitancia de derivación distribuida a través del plano de potencia(Figura 4-27) permite estabilizar la potencia a alta frecuencia.
Figura 4-27. Estabilización distribuida de la red eléctrica
Normalmente, la estabilización de una red eléctrica consta de tres partes:
Condensadores de bypass directamente en todos los pines de alimentación de todos los circuitos integrados(bypass en chip)
Capacitancia de bypass distribuida por el plano de potencia(bypass de red)
Filtrado de derivación en la salida del regulador de tensión(derivación del regulador)
Una placa de circuito impreso grande (por ejemplo, la placa base de un ordenador) con varios chips digitales de alta velocidad debe tener los tres. Una pequeña placa de circuito impreso de baja frecuencia (por ejemplo, un mando a distancia para el televisor) sería menos exigente, y podría eliminarse la parte de derivación de red.
Condensadores de derivación a altas frecuencias
El modelo equivalente para un condensador cerámico multicapa de montaje superficial (SMT MLCC) se muestra en la Figura 4-28. Los elementos son
Cmain-Cuerpoprincipal del condensador
Cpar-Capacitanciaparasitaria a la placa de circuito impreso subyacente
ESR-Resistencia en serie equivalente de la resistencia del dispositivo distribuido
ESL-Inductancia en serie equivalente del dispositivo
Rleak-Resistenciade fuga entre placas capacitivas
Los dos parámetros importantes de para la derivación de potencia son la ESR y la ESL. La ESR limita la impedancia más baja, y la ESL limita la frecuencia máxima en la que el dispositivo funciona eficazmente como condensador. Estas características deben tenerse en cuenta al seleccionar los condensadores de derivación.
Figura 4-28. Modelo equivalente para condensadores de alta frecuencia
La Figura 4-29 muestra las características autorresonantes de un condensador típico de montaje superficial. La respuesta de baja frecuencia está dominada por la capacitancia Cmain y la respuesta de alta frecuencia está dominada por la ESL. Entre medias, el dispositivo pasa por la frecuencia de autorresonancia (SRF) y la impedancia cae al mínimo, lo que equivale a la ESR. El condensador sirve como filtro de derivación más allá de la SRF, pero su eficacia se reduce con frecuencias más altas.
Figura 4-29. Autorresonancia de los condensadores
La presencia de ESL limita la capacidad de alta frecuencia del dispositivo como filtro de derivación de una fuente de alimentación.
La Tabla 4-1 muestra un conjunto típico de valores de SRF en función del valor de la capacitancia.
| Valor C | SRF |
|---|---|
| 10 uF | 2,0 MHz |
| 1 uF | 5,5 MHz |
| 0,1 uF | 19 MHz |
| 0,01 uF | 57 MHz |
| 1000 pF | 180 MHz |
| 100 pF | 560 MHz |
| SMT MLCC, embalaje: 0603 (Imperial) | |
Lo ideal es que el filtrado de derivación evite las frecuencias en las que la ESL domina la impedancia. La realidad es que muchos diseños tienen demandas de corriente de banda ancha que van más allá del rango útil de la mayoría de los condensadores. Existen reglas empíricas y estudios empíricos contradictorios sobre cómo abordar esta cuestión. Ver "Lecturas complementarias".
En teoría, utilizar condensadores con diferentes puntos de SRF conectados en paralelo elude las características SRF de los dispositivos singulares. Este método es una práctica habitual, pero a menudo se aplica a ciegas sin tener en cuenta la SRF de los condensadores. Para este conjunto concreto de valores, utilizar condensadores separados 100X en valor (como 1 uF y 0,01 uF) espaciaría el SRF de forma adecuada. Comprueba la SRF de los dispositivos concretos utilizados, porque las diferencias de fabricante, tipo de dieléctrico o tensión nominal pueden dar lugar a valores de SRF diferentes.
El tamaño del cuerpo SMT también puede afectar a la ESL y la SRF, ya que un cuerpo SMT 0805 tiene características claramente distintas que un cuerpo SMT 1206. Algunos proveedores también ofrecen condensadores de "baja ESL" como opción. Estos dispositivos suelen tener regiones de contacto más anchas y cuerpos más cortos, o utilizan varios puntos de contacto para reducir la inductancia. Comprueba los dispositivos específicos que se van a utilizar para conocer los detalles de sus parámetros .
Valor y distribución del condensador de derivación de potencia
Los condensadores de derivación se utilizan para hacer tres cosas distintas:
El bypass en chip es para las demandas de corriente de alta frecuencia de un CI.
La derivación a la red estabiliza las conexiones a la red eléctrica local y reduce las variaciones de tensión debidas tanto a las impedancias de conexión como a las limitaciones de ancho de banda de la fuente de alimentación (IED: PCB).
El bypass del regulador filtra la salida de la fuente de alimentación (regulador) y estabiliza el bucle de control de realimentación dentro del regulador.
Los vendedores de semiconductores deberían proporcionar los dispositivos que sugieren para la derivación en chip, para utilizarlos directamente en sus chips. Si no se dispone de información del proveedor, aquí se sugieren algunas directrices.
Condensadores de derivación en chip :
Todos los pines de alimentación de todos los chips tienen condensadores de derivación dedicados directamente en los pines de alimentación.
Los condensadores de derivación en chip van en el mismo lado de la placa de circuito impreso que el chip.
Los condensadores de derivación en chip deben tener un trazado mínimo y utilizar conexiones de camino más corto. Esto es especialmente importante con las demandas de corriente de banda ancha de los chips digitales (IED: PCB).
El diseño de la placa de circuito impreso debe evitar/minimizar las vías en las conexiones de los condensadores de derivación en chip para minimizar la inductancia (IED: placa de circuito impreso).
No se sugiere nada inferior a 0,01 uF para el bypass en chip. Aunque los valores de capacitancia más pequeños tienen puntos de resonancia más altos, con frecuencia los dispositivos más pequeños no presentan una impedancia lo suficientemente baja o son insignificantes en el conjunto mixto de impedancias de la red eléctrica (véase Archambeault, 2007).
Si es posible, mantén el SRF del condensador 10 veces por encima de la frecuencia más común utilizada en el CI. Los chips de alta frecuencia utilizarán generalmente el mínimo de 0,01 uF descrito anteriormente. Algunos dispositivos que funcionan a frecuencias más bajas pueden utilizar condensadores de derivación de mayor valor en el chip.
Se recomienda utilizar condensadores X5R y X7R debido a su limitada variación de capacidad (+/-15%) con la temperatura. Los dispositivos Y5V presentan una variación extremadamente amplia (+22%, -82%) y pueden ser impredecibles.
Los condensadores NP0 y C0G presentan poca variación térmica y de polarización. Sin embargo, estos dispositivos están limitados en sus valores de capacitancia para un dispositivo de volumen determinado. No se necesitan valores de capacitancia precisos (<5% de error) para la derivación de potencia.
La tensión nominal de los condensadores debe ser superior a la tensión máxima del circuito. Una regla empírica rápida es 2X de la fuente de alimentación a la que están conectados.
De nuevo, consulta a los proveedores de circuitos integrados cuál es la estrategia preferida para sus chips.
Condensadores de derivación de red
El plano de potencia local se mantiene estable con capacitancia distribuida.
Utilizar muchos condensadores repartidos es mejor que utilizar pocos condensadores.
Los condensadores utilizados para el bypass de red suelen ser de mayor valor que los utilizados para el bypass en chip.
Para una placa de circuito impreso de dos caras cargada de componentes, coloca los condensadores de derivación de rejilla en el lado de la placa de circuito impreso más cercano a las capas de P&G. Así se minimiza la inductancia de retorno a las capas P&G.
La capacitancia distribuida por la placa de circuito impreso debe seguir utilizando condensadores que presenten buenas características de alta frecuencia, aunque resuenen a una frecuencia algo más baja que los dispositivos en chip.
Utilizar condensadores 100 veces mayores que los dispositivos de bypass en chip mantiene los puntos de resonancia bien separados. Para la situación en la que el bypass en chip es de 0,01 uF, esto implica condensadores de bypass de red de 1 uF.
Los condensadores de derivación de red deben distribuirse por los planos de potencia de forma que cualquier CI conectado al plano de potencia tenga la derivación de red muy cerca(Figura 4-30).
Se recomienda utilizar varios condensadores de derivación de rejilla cerca del perímetro de cualquier circuito integrado lógico con un elevado número de puertas (por ejemplo, MPU, MCU, ASIC digitales, FPGA, circuitos integrados de memoria).
Utilizar una fina capa aislante entre los planos P&G proporciona una cantidad insignificante de capacitancia de derivación de la rejilla. Esta idea se ha pregonado en varios lugares, pero no se sostiene cuando se examinan los números (IED: PCB, allí se examina un ejemplo cuantitativo).
Figura 4-30. Capacitancia de bypass, en la patilla y a través de la red
Existen estudios (véase Bogatin, 2018) que tratan la capacitancia de derivación de la red como un problema de impedancia controlada frente a la frecuencia. Los simuladores de circuitos pueden analizar la SRF interactiva de los condensadores, pero modelar la red de interconexión y todo lo que está conectado a ella no se hace rápidamente. Los proyectos de diseño típicos no tienen tlos recursos para hacer un estudio tan detallado. Estas directrices son un enfoque que puede aplicarse con eficacia.
Los fabricantes de cualquier regulador de tensión deben poder facilitar su configuración preferida para la derivación y el desacoplamiento del regulador.
Los reguladores LDO deben prestar especial atención a los parámetros ESR de sus condensadores de derivación. Comprueba detenidamente las especificaciones de los LDO y las notas de aplicación.
Evita los condensadores electrolíticos siempre que sea posible, debido a su mala respuesta a las altas frecuencias y a sus problemas de fiabilidad a largo plazo. El condensador electrolítico de aluminio (CEA) se utiliza mucho en muchos productos, pero suele ser el primer componente que falla. Como el AEC puede poner mucha capacitancia en un área pequeña a bajo coste, se utiliza mucho en la electrónica de consumo.
Los dispositivos MLCC SMT se prefieren a los AEC por su fiabilidad y su baja ESR/ESL.
Los dispositivos MLCC SMT múltiples en paralelo son una opción viable para una capacitancia de mayor valor.
Los condensadores de tántalo son más fiables que los AEC y también podrían utilizarse para el bypass del regulador.
Si los AEC son inevitables, colocar MLCC SMT en paralelo con el AEC mejorará el rendimiento a alta frecuencia .
Resumen y conclusiones
Los puntos importantes del diseño de un sistema eléctrico son los siguientes:
La corriente alterna requiere una estrategia para evitar descargas eléctricas y garantizar la seguridad.
Cuando el sistema falla, el dispositivo debe permanecer seguro. Comprende y aplica métodos para evitar los contactos en tensión, tanto para el funcionamiento normal como para cualquier posible modo de fallo.
La protección contra sobrecorriente debe formar parte de un escenario de enlace más débil. El fusible (u otra protección) debe abrirse, no una traza de la placa de circuito impreso o un cable de interconexión. Esto es imprescindible para la certificación de seguridad.
La alimentación interna de CA necesita conexión a tierra o métodos de seguridad de doble aislamiento.
Los conmutadores fuera de línea para la conversión CA/CC son fuentes de alimentación de CC eficientes y compactas. Hay muchas opciones de bajo coste disponibles en el mercado, y suele ser más rentable comprar uno en lugar de diseñarlo desde cero. Busca dispositivos que utilicen circuitos internos de autoprotección.
Regula la potencia en la placa de circuito impreso donde se utilice. Esto minimiza los problemas debidos a la impedancia de conexión.
Los convertidores CC/CC conmutados pueden proporcionar reducción de tensión, refuerzo de tensión, o ambas cosas, de forma compacta y eficiente.
Los reguladores lineales son ineficaces, pero son útiles cuando se necesita poco ruido en la alimentación o poca EMI en el entorno.
La lógica digital crea sobrecorrientes de banda ancha de alta frecuencia en P&G.
Las conexiones P&G necesitan capas de PCB específicas para crear conexiones de baja impedancia.
Siempre que sea posible, hay que minimizar la impedancia de las conexiones P&G.
La estabilidad de la potencia de alta frecuencia requiere condensadores de derivación en todos los pines de alimentación del CI.
La estabilidad de la potencia de alta frecuencia requiere una capacitancia distribuida por la red eléctrica.
Las técnicas para la disposición en PCB de conexiones de baja impedancia se tratan con más detalle en el Capítulo 11. Un sistema de alimentación cuidadosamente pensado mejora los niveles de ruido de la señal, reduce la EMI radiada y debe permanecer libre de humos cuando falle algo en el sistema.
Otras lecturas
IEC 61140, "Protección contra descargas eléctricas ", https://www.iec.ch.
IEC 62368-1, "Equipos de tecnología de la información y la comunicación de audio/vídeo - Parte 1 - Requisitos de seguridad ", https://www.iec.ch.
Bruce Archambeault, "Desacoplamiento efectivo de potencia/plano de tierra para PCB", IEEE EMC, octubre de 2007.
Switching Mode Power Supply Design, 3.ª edición, de A. Pressman, K. Billings y T. Morey, 2009, ISBN 978-0-07-148272-5, McGraw-Hill.
Diseño Digital de Alta Velocidad: A Handbook of Black Magic, de H. Johnson y M. Graham, 1993, ISBN 978-81-317-1412-6, Pearson.
"Técnicas de desacoplamiento", tutorial MT-101 de Analog Devices, https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf.
Paul Brokaw, "An IC Amplifier User's Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change," Analog Devices AN-202 Application Note, https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-202.pdf.
Kevin Tompsett, "Diseño de filtros de salida de segunda etapa para fuentes de alimentación conmutadas", Analog Devices, https://www.analog.com/en/technical-articles/designing-second-stage-output-filters-for-switching-power-supplies.html.
Vincent Greb, "Don't Let Rules of Thumb Set Decoupling Capacitor Value," EDN Magazine, 1 de septiembre de 1995, https://www.edn.com/edn-access-09-01-95-dont-let-rules-of-thumb-set-decoupling-capacitor-value.
Jerry Twomey, "Unas sencillas reglas de conexión a tierra producen grandes beneficios", Electronic Design Magazine, 27 de abril de 2012, https://www.electronicdesign.com/technologies/industrial/boards/article/21795841/simple-grounding-rules-yield-huge-rewards.
"Publicaciones y patentes de Jerry Twomey", Electrones Efectivos, https://effectiveelectrons.com/articles-patents.
"Directrices de distribución de energía del procesador Pentium III", Nota de aplicación, Intel, abril de 1999, https://www.intel.com/design/PentiumIII/applnots/24508501.pdf.
Integridad de la Señal y la Potencia Simplificada, 3ª Edición, de Eric Bogatin, 2018, ISBN-13, 978-0-13-451341-6, Pearson Education.
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