La topología de los circuitos es la forma en que se conectan los dispositivos de potencia y los componentes electromagnéticos en un circuito. El diseño de los componentes magnéticos, el diseño de los circuitos de compensación de bucle cerrado y todos los demás diseños de componentes de circuitos dependen de la topología. Las topologías más básicas son Buck (buck), Boost (boost) y Buck/Boost (boost/buck), flyback single-ended (flyback aislado), forward, push-pull, half-bridge y full-bridge. Cambiador. Existen unas 14 topologías comunes de fuentes de alimentación conmutadas, cada una con sus propias características y situaciones aplicables. El principio de selección depende de si es de alta potencia o de baja potencia, de salida de alta tensión o de salida de baja tensión, y de si requiere el menor número posible de componentes. Para elegir una topología adecuadamente, es importante conocer las ventajas, desventajas y aplicabilidad de las distintas topologías. Una elección equivocada puede condenar al fracaso el diseño de una fuente de alimentación desde el principio.
En este artículo, analizaremos en profundidad diferentes aspectos de las topologías buck, boost y buck-boost. Y un resumen de 20 topologías básicas de fuentes de alimentación conmutadas.
Índice
Convertidor Buck
La figura 1 es un diagrama esquemático de un convertidor Buck no síncrono. Un convertidor buck reduce su tensión de entrada a una tensión de salida más baja. Cuando el interruptor Q1 se enciende, se transfiere energía a la salida.
Figura 1: Esquema de un convertidor Buck no síncrono
La ecuación 1 calcula el ciclo de trabajo:
La ecuación 2 calcula la tensión máxima del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET):
La ecuación 3 da la tensión máxima del diodo:
Donde Vin es la tensión de entrada, Vout es la tensión de salida y Vf es la tensión directa del diodo.
Cuanto mayor es la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida, más eficiente es un convertidor Buck en comparación con un regulador lineal o un regulador de baja caída (LDO).
Aunque el convertidor buck tiene corriente pulsada a la entrada, la corriente de salida es continua debido al filtro inductor-condensador (LC) situado a la salida del convertidor. Como resultado, el rizado de tensión reflejado a la entrada será mayor comparado con el rizado a la salida.
Para convertidores Buck con ciclos de trabajo pequeños y corrientes de salida superiores a 3 A, se recomienda utilizar rectificadores síncronos. Si su fuente de alimentación requiere más de 30 A de corriente de salida, se recomienda utilizar etapas de potencia multifásicas o intercaladas, ya que así se minimiza la tensión de los componentes, se reparte el calor generado entre varias etapas de potencia y se reducen las reflexiones en la ondulación de entrada del convertidor.
El ciclo de trabajo es limitado cuando se utilizan N-FET porque el condensador de arranque debe recargarse en cada ciclo de conmutación. En este caso, el ciclo de trabajo máximo oscila entre 95-99%.
Los convertidores Buck suelen tener una buena dinámica debido a su topología de avance. El ancho de banda alcanzable depende de la calidad del amplificador de error y de la frecuencia de conmutación elegida.
Las figuras 2 a 7 muestran las formas de onda de tensión y corriente de los FET, diodos e inductores en un convertidor Buck no síncrono en modo de conducción continua (CCM).
Convertidor Boost
Un convertidor elevador aumenta la tensión de entrada hasta una tensión de salida mayor. Cuando el interruptor Q1 no conduce, la energía se transfiere a la salida. La figura 8 es un diagrama esquemático de un convertidor elevador no síncrono.
Figura 8: Esquema de un convertidor elevador no síncrono
La ecuación 4 calcula el ciclo de trabajo:
La ecuación 5 calcula la tensión máxima del MOSFET:
La ecuación 6 da la tensión máxima del diodo:
Donde Vin es la tensión de entrada, Vout es la tensión de salida y Vf es la tensión directa del diodo.
Con un convertidor elevador, se puede ver la corriente de salida pulsada porque el filtro LC está en la entrada. Por lo tanto, la corriente de entrada es continua y la ondulación de la tensión de salida es mayor que la ondulación de la tensión de entrada.
Al diseñar un convertidor elevador, es importante saber que, incluso cuando el convertidor no está conmutando, existe una conexión permanente de la entrada a la salida. Deben tomarse precauciones para protegerse contra posibles cortocircuitos en la salida.
Para corrientes de salida superiores a 4A, debe utilizarse un rectificador síncrono en sustitución del diodo. Si la fuente de alimentación debe proporcionar una corriente de salida superior a 10 A, se recomienda encarecidamente utilizar etapas de alimentación multifásicas o intercaladas.
Cuando funciona en modo CCM, la dinámica del convertidor elevador está limitada debido al semiplano cero derecho (RHPZ) de su función de transferencia. Dado que el RHPZ no puede compensarse, el ancho de banda alcanzable será normalmente inferior a una quinta o décima parte de la frecuencia RHPZ. Véase la ecuación 7:
donde Vout es la tensión de salida, D es el ciclo de trabajo, Iout es la corriente de salida y L1 es el inductor del convertidor elevador.
Las figuras 9 a 14 muestran las formas de onda de tensión y corriente de los FET, diodos e inductores en el convertidor elevador no síncrono en modo CCM.
Convertidor Buck-Boost
Un convertidor buck-boost es una combinación de etapas de potencia buck y boost que comparten el mismo inductor. Véase la Figura 15.
Figura 15: Esquema del convertidor buck-boost de doble conmutación
La topología buck-boost es práctica porque la tensión de entrada puede ser menor, mayor o igual que la de salida, lo que requiere una potencia de salida superior a 50 W.
Para potencias de salida inferiores a 50 W, el convertidor de inductor primario de un solo extremo (SEPIC) es una opción más rentable porque utiliza menos componentes.
Cuando la tensión de entrada es superior a la de salida, el convertidor buck-boost funciona en modo buck; cuando la tensión de entrada es inferior a la de salida, funciona en modo boost. Cuando el convertidor funciona en la región de transmisión en la que la tensión de entrada está dentro del intervalo de tensión de salida, hay dos conceptos para manejar estas situaciones: o bien las etapas buck y boost están activas simultáneamente, o bien los ciclos de conmutación entre las etapas buck y boost. alternados, cada uno funcionando normalmente a la mitad de la frecuencia de conmutación normal. El segundo concepto puede inducir ruido subarmónico en la salida y, aunque la precisión de la tensión de salida puede no ser tan exacta en comparación con el funcionamiento buck o boost normal, el convertidor será más eficiente en comparación con el primer concepto.
La topología buck-boost tiene corrientes pulsantes tanto en la entrada como en la salida porque no hay filtros LC en ninguna dirección.
Para un convertidor buck-boost, los cálculos de las etapas de potencia buck y boost pueden utilizarse por separado.
Los convertidores Buck-boost con dos conmutadores son adecuados para rangos de potencia entre 50W y 100W (como el LM5118), con rectificación síncrona hasta 400W (igual que el LM5175). Se recomienda utilizar un rectificador síncrono con el mismo límite de corriente que la etapa de potencia buck y boost no combinada.
Es necesario diseñar la red de compensación del convertidor buck-boost para la etapa boost porque la RHPZ limita el ancho de banda del regulador.
Fuente: Texas Instruments
Suplemento: Comparación de 20 topologías de fuentes de alimentación conmutadas
1. Topologías básicas comunes:
Buck
■ Impulso
■ Buck-Boost Buck-Boost
■ Flyback
■ Adelante
■ Avance de dos transistores
■ Push-Pull push-pull
■ Medio puente Medio puente
Puente completo Puente completo
■ SEPIC
■C'uk
2. Forma de onda básica de modulación de anchura de impulsos
Estas topologías están relacionadas con los circuitos de conmutación. La forma de onda básica de modulación por ancho de pulsos se define como sigue:
3. Buck reduce la presión arterial
Características:
■ Reducir la entrada a una tensión inferior.
■ Posiblemente el circuito más sencillo
■ El filtro inductor/capacitor aplana la onda cuadrada tras la conmutación.
■ La salida siempre es menor o igual que la entrada
■ La corriente de entrada es discontinua (chopping).
■ Suavizado de la corriente de salida
4. Impulsar
Características:
■ Aumenta la entrada a un voltaje más alto.
■ Igual que buck, pero inductor, interruptor y diodo reorganizados.
■ La salida es siempre mayor o igual que la entrada (ignorando la caída de tensión hacia delante del diodo).
■ Suavizado de la corriente de entrada
■ La corriente de salida es discontinua (chopping).
5. Buck-Boost
Características:
Otra disposición de inductores, interruptores y diodos.
■ Combina las desventajas de los circuitos buck y boost.
■ La corriente de entrada es discontinua (chopping).
■ La corriente de salida tampoco es continua (chopping).
■ La salida es siempre opuesta a la entrada (fíjate en la polaridad del condensador), pero la amplitud puede ser menor o mayor que la entrada
■ Un convertidor "flyback" es en realidad una forma aislada (acoplada al transformador) de un circuito buck-boost.
6. Flyback
Características:
■ Funciona como un circuito buck-boost, pero el inductor tiene dos devanados, actuando a la vez como transformador e inductor.
■ La salida puede ser positiva o negativa, determinada por la polaridad de la bobina y el diodo.
■ La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada, determinada por la relación de vueltas del transformador.
■ Esta es la más simple de las topologías de aislamiento
■ Se pueden obtener múltiples salidas añadiendo devanados secundarios y circuitos
7. Adelante
Características:
■ Forma de acoplamiento del transformador del circuito reductor.
■ Corriente de entrada discontinua, corriente de salida suave.
■ Debido al transformador, la salida puede ser mayor o menor que la entrada, y puede ser de cualquier polaridad.
■ Se pueden obtener múltiples salidas añadiendo devanados secundarios y circuitos.
■ El núcleo del transformador debe desmagnetizarse durante cada ciclo de conmutación. Una práctica habitual es añadir un bobinado con el mismo número de espiras que el bobinado primario.
■ La energía almacenada en la inductancia primaria durante la fase de conexión se libera a través del bobinado adicional y el diodo durante la fase de desconexión.
8. Avance de dos transistores
Características:
■ Ambos interruptores funcionan simultáneamente.
■ Cuando se abre el interruptor, la energía almacenada en el transformador invierte la polaridad del primario, provocando la conducción del diodo.
La principal ventaja:
■ La tensión a través de cada interruptor nunca supera la tensión de entrada.
■ No es necesario reajustar la pista de bobinado.
9. Push-Pull
Características:
■ El interruptor (FET) se acciona fuera de fase y se realiza una modulación por ancho de pulsos (PWM) para regular la tensión de salida.
■ Buena utilización del núcleo del transformador: la energía se transfiere en ambos semiciclos.
■ Topología de onda completa, por lo que la frecuencia de rizado de salida es el doble de la frecuencia del transformador.
■ La tensión aplicada al FET es el doble de la tensión de entrada.
10. Medio puente
Características:
■ Topología muy común para convertidores de mayor potencia.
■ El interruptor (FET) se acciona fuera de fase y se realiza una modulación por ancho de pulsos (PWM) para regular la tensión de salida.
Buena utilización del núcleo del transformador: la potencia se transfiere en ambos semiciclos. Además, la tasa de utilización del devanado primario es mejor que la del circuito push-pull.
■ Topología de onda completa, por lo que la frecuencia de rizado de salida es el doble de la frecuencia del transformador.
■ La tensión aplicada al FET es igual a la tensión de entrada.
11. Puente completo
Características:
■ Topología más común para convertidores de mayor potencia.
■ Los interruptores (FET) se accionan en pares diagonales y se modulan por ancho de pulsos (PWM) para regular la tensión de salida.
■ Buena utilización del núcleo del transformador: la energía se transfiere en ambos semiciclos.
■ Topología de onda completa, por lo que la frecuencia de rizado de salida es el doble de la frecuencia del transformador.
■ La tensión aplicada a los FET es igual a la tensión de entrada.
■ A una potencia dada, la corriente primaria es la mitad que la de un semipuente.
12. Convertidor SEPIC de inductor primario de un solo extremo
Características:
■ La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada.
■ Al igual que el circuito boost, la corriente de entrada es suave, pero la de salida es discontinua.
■ La energía se transfiere de la entrada a la salida a través de la capacitancia.
■ Se necesitan dos inductores.
13. C'uk (patente de Slobodan C'uk)
Características:
■ Inversión de salida
■ La amplitud de la tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada.
■ Tanto la corriente de entrada como la de salida son suaves.
■ La energía se transfiere de la entrada a la salida a través de la capacitancia.
■ Se necesitan dos inductores.
■ Los inductores pueden acoplarse para obtener una corriente inductora de rizado cero.
14. Detalles del funcionamiento del circuito
A continuación se explican los detalles de funcionamiento de varias topologías:
■ Regulador Buck: conducción continua, conducción crítica, conducción discontinua.
■ Regulador Boost (conducción continua)
■ Funcionamiento del transformador
■ Transformador flyback
■ Transformador de avance
15. Regulador Buck-Paso a Paso-Conducción Continua
Características:
■ La corriente del inductor es continua.
■ Vout es el valor medio de su tensión de entrada (V1).
■ La tensión de salida es la tensión de entrada multiplicada por la relación de trabajo del interruptor (D).
■ Cuando se enciende, la corriente inductora fluye desde la batería.
■ La corriente fluye a través del diodo cuando el interruptor está abierto.
■ Despreciando las pérdidas en el interruptor y el inductor, D es independiente de la corriente de carga.
■ Las características de los reguladores buck y sus circuitos derivados son:
La corriente de entrada es discontinua (chopping) y la de salida es continua (smoothing).
16. Regulador Buck-step-down-conductividad crítica
■ La corriente del inductor sigue siendo continua, pero "llega" a cero cuando se vuelve a conectar el interruptor. Esto se llama "conducción crítica". La tensión de salida sigue siendo igual a la tensión de entrada multiplicada por D.
17. Regulador Buck-paso-abajo-conducción discontinua
■ En este caso, la corriente en el inductor es cero durante una parte de cada ciclo.
■ La tensión de salida sigue siendo (siempre) el valor medio de v1.
■ La tensión de salida no es la tensión de entrada multiplicada por la relación de trabajo del interruptor (D).
■ Cuando la corriente de carga está por debajo del valor crítico, D cambia con la corriente de carga (mientras que Vout permanece constante).
18. Regulador de impulso
■ La tensión de salida siempre es mayor (o igual) que la tensión de entrada.
■ La corriente de entrada es continua, la de salida discontinua (a diferencia de un regulador buck).
■ La relación entre la tensión de salida y la relación de trabajo (D) no es tan sencilla como en un regulador buck. En el caso de conducción continua:
En este ejemplo, Vin = 5, Vout = 15 y D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. 19. Funcionamiento de los transformadores (incluido el papel de la inductancia primaria)
■ El transformador se considera un transformador ideal con su inductancia primaria (magnetizante) conectada en paralelo con el primario.
20. Transformador Flyback
■ Aquí la inductancia del primario es baja y se utiliza para determinar la corriente de pico y la energía almacenada. Cuando el interruptor primario se abre, la energía se transfiere al secundario.
21. Transformador de conversión directa
■ La inductancia primaria es alta porque no hay necesidad de almacenar energía.
■ La corriente de magnetización (i1) circula por el "inductor de magnetización", provocando la desmagnetización del núcleo (inversión del sentido de la tensión) tras la apertura del interruptor primario.
22. Resumen
■ Aquí se revisan las topologías de circuito más comunes utilizadas actualmente en la conversión de fuentes de alimentación conmutadas.
■ Hay muchas más topologías, pero sobre todo combinaciones o variaciones de las topologías aquí descritas.
■ Cada topología implica compromisos de diseño únicos:
1) La tensión aplicada al interruptor
2) Corte y suavizado de la corriente de entrada y salida
3) Utilización del bobinado
■ Elegir la mejor topología requiere investigar sobre:
1) Rango de tensión de entrada y salida
2) Alcance actual
3) Relación coste-rendimiento, tamaño-peso
