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Tutorial de diseño de fuente de alimentaciónEsta serie de tutoriales explica los pasos detallados de diseño para los reguladores de conmutación DC-DC de topología buck y topología, complementados por sesiones dedicadas de diseño de PCB y control de bordes de señal para EMI que se aplican a todos los reguladores de conmutación. Esta serie de tutoriales está dividida en 15 partes y proporciona detalles, sugerencias y sugerencias que son útiles incluso para los diseñadores de fuentes de alimentación más veteranos. Los principiantes que nunca han diseñado una fuente de alimentación pueden usar esta serie como punto de partida. Pero los ingenieros que ya tienen experiencia en el diseño de la fuente de alimentación y desean obtener más conocimiento son los que más se beneficiarán.
Parte 1: Topologías y Fundamentos
Parte 2: El regulador Buck
Parte 3: Diseño de PCB para conmutadores
Parte 4: El regulador de Boost
Parte 5: Cambio de Edge Control para EMC
Parte 6: El regulador SEPIC
Parte 7: El regulador C * k
Parte 8: Conmutación de los bucles de control del regulador
Parte 9: filtros de entrada para los conmutadores de entrada de CC
Parte 10: El regulador de retorno de CA-CC
Parte 11: Diseño del transformador Flyback
Parte 12: Soluciones de energía aisladas
Parte 13: filtros de entrada para los conmutadores de entrada de CA
Parte 14: El regulador de medio puente Resonant LLC
Parte 15: corrección del factor de potencia
Dentro de esta serie, publicaremos un nuevo tutorial cada semana. El primero está disponible ahora. Aquí está la agenda:
Reguladores lineales y reguladores de baja caída (LDO)
Disipación de potencia y gestión térmica de semiconductores de potencia
Introducción del regulador de conmutación y el elemento de tres terminales
Las tres topologías de convertidor básicas: buck, boost e inversing buck-boost
Inductores y corrientes inductoras
Bienvenido a la Parte 1-1 de la serie de diseño de fuente de alimentación inducida por energía, topologías y fundamentos, presentada por Power Electronics News. Si ya ha diseñado reguladores de 100 dólares, probablemente pueda omitir esta sesión, pero apuesto a que hay al menos algo en las siguientes 25 diapositivas o que incluso los profesionales de las temporadas encontrarán útil o perspicaz. En esta sesión, vamos a ver las fuentes de alimentación lineales, la gestión térmica y luego la base de las fuentes de alimentación de conmutación de CC a CC.
Reguladores lineales y reguladores de baja caída (LDO)
Disipación de potencia y gestión térmica de semiconductores de potencia
Introducción del regulador de conmutación y el elemento de tres terminales
Las tres topologías de convertidor básicas: buck, boost e inversing buck-boost
Inductores y corrientes inductoras
Bienvenido a la Parte 1-1 de la serie de diseño de fuente de alimentación inducida por energía, topologías y fundamentos, presentada por Power Electronics News. Si ya ha diseñado reguladores de 100 dólares, probablemente pueda omitir esta sesión, pero apuesto a que hay al menos algo en las siguientes 25 diapositivas o que incluso los profesionales de las temporadas encontrarán útil o perspicaz. En esta sesión, vamos a ver las fuentes de alimentación lineales, la gestión térmica y luego la base de las fuentes de alimentación de conmutación de CC a CC.
En el principio, hubo discreción
Esta imagen es para todos mis seguidores amantes de la ciencia ficción y la administración de energía. Al principio había fuentes de alimentación basadas en tubos de vacío, así que vamos a llamar a esto, la cita sobre el comienzo de la demanda de las fuentes de alimentación modernas. Ahora, este circuito es muy simple. Hay una referencia, generalmente un diodo Zener, una resistencia limitadora de corriente para evitar que el diodo zener se sobrecaliente, y un elemento de paso.
con Dibujé el elemento de paso como un transistor NPN, pero n-MOSFET también funciona. La resistencia final representa la carga.
Este
tipo de circuito, se usa todo el tiempo para obtener suministros, que
corren desde alto voltaje pero usan silicio de bajo voltaje para
arrancar. Lo que no se muestra, es la conexión a la línea que entra al emisor de Q1, que es una salida de un devanado auxiliar. Tan
pronto como esa tensión auxiliar excede la combinación de VZ más VBE,
es decir, sobrepasa la tensión Zener, más un transistor VBE, entonces Q1
se apaga, y apenas se disipa la potencia. Además,
la razón por la que los transistores bipolares son preferibles a los
MOSFET, aunque los MOSFET, tienen mucha más selección, es que es más
difícil saber cuánto voltaje inverso se necesita de la fuente a la
puerta para asegurarse de que el MOSFET, está realmente apagado. Otra nota. Si
su suministro de CA a CC o HVDC no se inicia durante la prueba inicial,
casi siempre es debido al circuito de configuración o al devanado
auxiliar.
La siguiente evolución después de los reguladores lineales discretos, fue el regulador NPN integrado. Integrado proviene de circuito integrado, o IC. En la actualidad, casi todos los reguladores lineales se denominan LDO, que significa regulador de baja caída. En general, los reguladores NPN reales, no son muy bajos en abandonos, y ya veremos por qué en la próxima diapositiva. Pero incluso el regulador NPN, ya que hay varias configuraciones con PNP o con MOSFET.Y este es un buen momento para definir qué es el voltaje de deserción en realidad. Esa
es la cantidad mínima de espacio libre, es decir la diferencia de
voltaje necesaria entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida,
para mantener regulada la tensión de salida. Como
se puede imaginar, esa es una gran preocupación, ya que el voltaje
mínimo se acerca más y más a la tensión de salida máxima de un regulador
lineal dado, especialmente, también cuando los reguladores tienen
voltajes de caída, que a menudo son más difíciles de calcular.Ahora
bien, una cosa buena acerca de la integración, además de tener menos
partes para seleccionar y colocar, y, por supuesto, su excelente
estabilidad, es que para un regulador IC, todo ese silicio está a la
misma temperatura, y eso es muy bueno para el estabilidad del circuitoHay dos términos aquí en esta página de los que quiero hablar más. Uno es PSRR. Esa es la relación de rechazo de la fuente de alimentación. También se conoce como susceptibilidad de audio. Esta
es la capacidad de la fuente de alimentación para rechazar el ruido del
modo diferencial que está presente entre la entrada positiva, que se
etiqueta aquí como VN, y la entrada negativa, que está implícita pero no
se muestra explícitamente. Esos son los símbolos de tierra.Luego, está la relación de rechazo de modo común. Eso es CMRR, y tiene un nombre más apropiado. Esto
se refiere a la capacidad de la fuente de alimentación para rechazar el
ruido de modo común, es decir, el ruido que está presente entre la
entrada positiva y la Tierra o la entrada negativa y la Tierra.
Aquí en esta al iamgen, podemos ver los detalles internos de un
regulador NPN clásico, también conocido como regulador Darlington. Como puede ver, hay dos transistores NPN y un transistor PNP que están en serie con la ruta de control. Y cuando miré por primera vez este circuito, pensé: "Hmm, solo hay una caída de VCE desde la entrada V a la salida V. Entonces,
¿por qué este circuito no funcionará, digamos, a 500 milivoltios de
voltaje de caída? "Pero en realidad es el circuito de control el que
necesita esos dos voltajes VBE y un VCE. Ahora, sumado, arriba, eso es 0.7 voltios más 0.7 voltios más 0.3 voltios, y eso te acerca bastante a dos voltios.Entonces,
sin control, no hay salida V estable, y es por eso que un regulador NPN
Darlington estándar, como este, no funcionaría de manera confiable
cuando se trata de bajar, digamos, de 5,0 voltios a 3,3 voltios. Es
probable que se encuentre con abandonos, especialmente cuando sabe que
hay una tolerancia en esos 5 voltios, por lo general de, digamos, más o
menos 5 o más o menos 10 por ciento.Entonces,
la deserción es claramente algo malo, ya que la tensión de salida ya no
está regulada, pero otro problema es que cuando un circuito está en
deserción, todo el ruido en la entrada pasa a la salida casi sin
atenuación.
Entonces,
para la disipación de energía, digamos que en el mundo de las fuentes
de alimentación, básicamente hay tres cosas que matan a los
dispositivos, sobre voltaje, voltaje negativo donde no se espera y sobre
temperatura. Y
de esas tres cosas, todas realmente se reducen a la temperatura
excesiva, porque el exceso de voltaje generalmente hace que fluya una
gran cantidad de corriente, y el voltaje negativo generalmente hace que
la corriente fluya donde no debería fluir, y demasiada corriente que
fluye en una lugar dado causa demasiado calor. Entonces la disipación de energía es crítica.Y lo que estamos viendo aquí en este circuito es que la disipación de potencia en los reguladores lineales es muy sencilla. Simplemente resta la tensión de salida de la tensión de entrada y multiplicas ese producto por la corriente de salida. Ahora,
cuando desee calcular el peor de los casos, y cuando diseñemos fuentes
de alimentación, es casi siempre el peor caso en el que diseñamos,
restar el voltaje de salida más bajo del voltaje de entrada más alto y
multiplicarlo por la corriente de salida máxima.
El
siguiente gran paso en las fuentes de alimentación lineales fue el
verdadero regulador de baja caída, que utiliza diferentes formas de
conectar los transistores bipolares, o, para la caída más baja, los
MOSFET para el elemento de paso. Entonces, en lugar de ese
mínimo de 1.7 voltios y típicamente más de 2.0 voltios de caída que el
NPN Darlington necesitaría, este circuito tiene un voltaje máximo de
deserción de poco más de 300 milivoltios, como se puede ver en el
gráfico aquí. Y eso es a su máxima corriente de salida.
Entonces, una nota importante aquí. Este gráfico está a 25 grados C. Puedes verlo escrito allí. Y el voltaje de deserción cambia a medida que cambia la temperatura. Un LDO que entregue un amplificador de corriente definitivamente se calentará, por lo que es muy importante observar el peor caso de abandono en todo el rango de temperatura.
Entonces, una nota importante aquí. Este gráfico está a 25 grados C. Puedes verlo escrito allí. Y el voltaje de deserción cambia a medida que cambia la temperatura. Un LDO que entregue un amplificador de corriente definitivamente se calentará, por lo que es muy importante observar el peor caso de abandono en todo el rango de temperatura.
Entonces, los detalles internos del regulador de baja caída p-MOSFET aclaran un poco las cosas. Este es el mismo dispositivo que vimos en la página anterior. Con
solo dos elementos basados en MOSFET, también podemos ver por qué
solo se necesitan 300 milivoltios o más de espacio libre mínimo entre V
out y V in. Así que volvamos a esa caja de 5 voltios y 3,3 voltios de
salida. Si
suponemos que el 5.0 voltios tiene una tolerancia de más o menos 10 por
ciento, y definitivamente es el peor caso para fuentes de alimentación
modernas, entonces el espacio de cabeza de voltaje entre cinco voltios
menos 10 por ciento, o 4.5 voltios, y la salida de 3.3 voltios sería 1.2 voltios Eso es más que suficiente para mantener este circuito regulado.En estos días, es común que los LDO caigan de 2,5 voltios a 1,8 voltios, incluso de 1,8 voltios a 1,2 voltios. Y hay algunos casos altamente controlados en los que incluso podría regular de 1.5 voltios a 1.2 voltios. Entonces,
la tendencia en general es reducir ese abandono a un mínimo, y el
propósito es reducir la disipación de potencia y el calor no deseado. El calor es definitivamente el enemigo en los suministros de energía, y en todos los electrónicos, realmente.
Así que tenemos los conceptos básicos de los suministros de energía lineales en nuestro cinturón. Ahora, hablemos más sobre el calor. En
el lenguaje de marketing, esto es gestión térmica, pero prefiero decir
que no cocinemos nuestras fuentes de alimentación. Por lo tanto, en
general, cuanto más grande sea el paquete, menor será la resistencia
térmica. Y la resistencia térmica es muy similar a la resistencia eléctrica. Cuanto más alto es, más difícil es mantener la unión, ese es el silicio en el centro del paquete, fresco.Ahora
que hace mucho tiempo, los únicos paquetes disponibles se limitaban a
los cables para conducir el calor lejos de la unión, ya sea que
estuviesen a través de un agujero o un montaje en la superficie. El
silicio generalmente se encontraba sobre una base de cobre llamada
pestaña, y los alambres unidos de oro o aluminio hacían esas conexiones
eléctricas a los pasadores. En
muchos paquetes, esos cables finos de enlace también son los únicos
conductores reales de calor, ya que el plástico del cuerpo es tan pobre
en la conducción de calor como en la conducción de corriente eléctrica.Los
vendedores de silicio y paquetes a menudo conocen y proporcionan
ciertas porciones de la resistencia térmica total desde la unión al
ambiente. Esa es theta JA. Una
parte que pueden informar y hacer de manera confiable es la resistencia
térmica a la resistencia térmica desde la unión al punto de soldadura. Esa es la theta JS. Pero
en la mayoría de los casos, la forma en que se usa el paquete tiene un
impacto tan grande en el total theta JA, que es la unión al ambiente,
que lo mejor que los proveedores pueden hacer es proporcionarnos algunos
casos típicos.La
experiencia y la experiencia me refiero a chips quemados y dedos
quemados, a menudo es la mejor herramienta para la administración de
energía. Aún así, es importante señalar la ecuación básica. La
temperatura de unión final es la función de la temperatura ambiente más
la disipación de potencia total multiplicada por la resistencia térmica
total desde la unión a la temperatura ambiente. Al menos para los reguladores lineales, conocemos la disipación de potencia con buena precisión.
El diseño
de PCB es un parámetro crítico que los fabricantes de circuitos
integrados no pueden controlar, por lo que ofrecen varios escenarios. Aquí estamos viendo el SC-74, un pequeño paquete para un LDO. La
denominada "configuración mínima de cobre2 es básicamente el área de
cobre recomendada de la huella del paquete más algunos rastros delgados. El espesor del cobre también cuenta, aunque no está escrito, son 15 micrómetros.
Por el contrario, observe el caso en que el área de cobre conectada a los pines es mayor o igual a 300 milímetros cuadrados. Para aprovechar al máximo esta área de cobre, necesita conectarse a los pines que transportan la corriente más alta. Eso sería los pines Rext y OUT en este caso, y eso reduce el thetaJA en un tercio. Por cierto, el hecho de que haya tres clavijas de SALIDA es una buena indicación de que transportan mucha corriente y serían buenas para conectar áreas de cobre.
Por el contrario, observe el caso en que el área de cobre conectada a los pines es mayor o igual a 300 milímetros cuadrados. Para aprovechar al máximo esta área de cobre, necesita conectarse a los pines que transportan la corriente más alta. Eso sería los pines Rext y OUT en este caso, y eso reduce el thetaJA en un tercio. Por cierto, el hecho de que haya tres clavijas de SALIDA es una buena indicación de que transportan mucha corriente y serían buenas para conectar áreas de cobre.
Un avance monumental en el manejo térmico fue la introducción de los denominados paquetes de almohadillas expuestas. Ahora,
muchos de estos paquetes son compatibles con los paquetes estándar de
la industria, como el SO-8 o, en el caso que se muestra aquí, el
TSSOP-16. Entonces,
en estos casos, el silicio todavía se encuentra encima de una
almohadilla de cobre, pero esa almohadilla es más grande o está más
abajo dentro del paquete y una parte está expuesta en la parte inferior.
La
desventaja, no más rastros de funcionamiento debajo del IC en la capa
superior, pero para la gran potencia, la compensación vale la pena.En
muchos casos, es bastante difícil obtener un área grande, como esos 300
milímetros cuadrados de los que hablamos en la página anterior. Es difícil colocar esa gran área en la capa superior donde van todos los rastros. Entonces usamos vias térmicas y área de cobre en otras capas.Cualquiera que trabaje con LED de alta potencia ciertamente ha usado o considerado PCB de núcleo metálico, o MCPCB. Ahora, los paquetes de almohadillas expuestas adoran MCPCB. Hablaremos de más sobre eso más tarde. Por ahora, un comentario muy importante. Si
no conecta la almohadilla expuesta de un paquete de almohadillas
expuestas, la mayoría de los IC de potencia seguirán funcionando, pero
su resistencia térmica es la misma que la de un paquete estándar, por lo
que si la tiene y no la usa, no obtendrá nada .Ahora,
como nota final, casi todos los aspectos de la gestión térmica muestran
una respuesta exponencial, como el gráfico que se ve aquí. Ahora, eso significa que mientras más es siempre mejor, casi siempre viene un punto de rendimientos decrecientes. En
otras palabras, conectar su almohadilla expuesta IC a un metro cuadrado
de cobre está bien, pero no obtiene mucho beneficio de la mayor parte
de ese cobre. ¿Mencioné, por cierto, que el cobre no es barato?
Mencioné
los LED en la diapositiva anterior, y los LED de potencia son los reyes
actuales de la gestión térmica en la actualidad porque existe una
relación tan directa entre el control de calor y la calidad y cantidad
de la salida de luz.
Ahora, me encantan los LED, por cierto. Los controladores LED son mi tipo favorito de fuente de alimentación. Cualquier cosa que se ilumine o parpadee. En cualquier caso, los fabricantes de LED de potencia han realizado una excelente investigación sobre la gestión térmica. Cualquier cosa que funcione para un LED de potencia, que siempre tiene una pestaña térmica, definitivamente funcionará para un IC de potencia con una pestaña térmica.
Y no hace falta decir que la PCB de núcleo metálico es maravillosa si puedes usarla. Solía ser realmente, muy caro, pero gracias a esos altos volúmenes en iluminación LED, ahora es mucho más asequible. Para mí, la gran desventaja de MCPCB es que es bastante complicado y costoso tener más de dos capas de pistas en un MCPCB.
Ahora, me encantan los LED, por cierto. Los controladores LED son mi tipo favorito de fuente de alimentación. Cualquier cosa que se ilumine o parpadee. En cualquier caso, los fabricantes de LED de potencia han realizado una excelente investigación sobre la gestión térmica. Cualquier cosa que funcione para un LED de potencia, que siempre tiene una pestaña térmica, definitivamente funcionará para un IC de potencia con una pestaña térmica.
Y no hace falta decir que la PCB de núcleo metálico es maravillosa si puedes usarla. Solía ser realmente, muy caro, pero gracias a esos altos volúmenes en iluminación LED, ahora es mucho más asequible. Para mí, la gran desventaja de MCPCB es que es bastante complicado y costoso tener más de dos capas de pistas en un MCPCB.
Un FR-4 nunca será tan bueno para atraer calor de su fuente como MCPCB, pero hay muchas maneras de hacer grandes mejoras. Las capas de cobre más gruesas son de una sola manera, un simple hecho de mayor masa térmica. Ahora,
he visto diseños con hasta 140 micrómetros de cobre, pero si se coloca
cobre grueso en las capas exteriores, los componentes ya no se quedan
planos y el ensamblaje se vuelve realmente complicado. Por
lo tanto, agregar formas internas es otra forma de mejorar la
resistencia térmica, y como muestra esta diapositiva, las vías térmicas
son prácticamente la forma estándar de conectar su fuente de calor en
una capa externa al calor en forma de áreas de cobre en las capas
internas o en las capas externas opuestas.Observe, de nuevo, esa forma más o menos exponencial de las curvas en esta página. Ahora, aquí estamos viendo tanto el número de vías como el diámetro de esas vías. Más es mejor, sí, pero de nuevo, hay un punto de rendimientos decrecientes. También hay algunas preocupaciones prácticas importantes. En la mayoría de las aplicaciones, por ejemplo, no podrá caber 91 vias debajo de un paquete SO-8. Si
bien no se muestra aquí, la efectividad de esas vías térmicas también
se reduce, y de nuevo exponencialmente, a medida que se alejan cada vez
más de la fuente de calor.Una
nota final muy importante para las vías térmicas es que, si bien son
más efectivas cuando se colocan directamente debajo de la pestaña
térmica de un IC de potencia, esta es un área soldada. Las vías demasiado grandes arrastrarán o drenarán o eliminarán la soldadura durante el montaje.Ahora,
personalmente, me gusta usar vías que tengan un diámetro exterior de
0,5 milímetros y un diámetro de orificio de 0,25 milímetros, y
normalmente las separo con un milímetro de separación. Lo
mejor que puede hacer realmente es sentarse con su fabricante de PCB y
su fabricante contratado y acordar de antemano qué funcionará mejor.
Uno
de mis colegas en National Semiconductor, que era el gurú de los
reguladores lineales, una vez me habló de un cliente que lo llamó para
pedir ayuda para diseñar una fuente de alimentación lineal de 10 kW para
un láser. Los
láseres son notoriamente intolerantes a la onda de sus conductores,
pero necesitarías una piscina de buen tamaño para enfriar tal
suministro. Les dijo que usaran un conmutador, pero hasta donde sé, ¡nunca respondieron!Un
ejemplo ligeramente menos potente pero todavía demostrativo sería un
sistema industrial con un voltaje de bus muy común de 24V, alimentando
un dispositivo digital que necesitaba 1.2V. Si
la corriente de salida fuera de 10 A, estarías disipando alrededor de
230 W, y para eso necesitas un disipador de calor serio. También estarías quemando 230V para una salida de 12W, y eso es una eficiencia del 5%. ¡No es algo de lo que estar orgulloso!Ahora,
si tengo la oportunidad de actualizar este seminario, veré si puedo
construir este circuito y hacer un video de tostadas de malvaviscos ...Bueno. Entonces,
¿qué haces cuando quieres bajar de 24 voltios a 1,2 voltios a 10
amperios y el departamento de marketing te dice que el tostado de
malvaviscos no es una característica de valor agregado para tu
suministro de energía? Bueno, la respuesta es que usas un regulador de conmutación. En esta presentación, vamos a sumergirnos en el grupo de conmutadores.
Aquí hay un circuito y un diagrama que muestra la parte más básica de un regulador de conmutación. Ahora,
escribí la fuente como V para el voltaje y mostré el voltaje a través
de una carga, pero todo lo que realmente estamos haciendo aquí es
conectar una fuente de energía a esa carga durante un período de tiempo,
conectar y no conectar esa fuente. fuente de poder durante el resto del tiempo. Si
tuviéramos un período fijo para cada ciclo de longitud t, entonces el
tiempo cuando la fuente no estaba conectada sería T menos t on.
Los dos conceptos más importantes aquí son, uno, la carga ve una potencia promedio, o voltaje promedio o corriente promedio, que es diferente de la de la fuente porque no están conectados durante el 100 por ciento del tiempo. Dos, es el ciclo de trabajo, es decir, el porcentaje de tiempo que la fuente y la carga están conectadas que determina la potencia promedio en la carga. Ahora, para este circuito, el ciclo de trabajo D es igual a t en dividido por el período T.
Los dos conceptos más importantes aquí son, uno, la carga ve una potencia promedio, o voltaje promedio o corriente promedio, que es diferente de la de la fuente porque no están conectados durante el 100 por ciento del tiempo. Dos, es el ciclo de trabajo, es decir, el porcentaje de tiempo que la fuente y la carga están conectadas que determina la potencia promedio en la carga. Ahora, para este circuito, el ciclo de trabajo D es igual a t en dividido por el período T.
La
modulación por ancho de pulso, o PWM, es un tipo de control que
consiste en variar el tiempo de conexión de la fuente y la carga. Otra forma de decir esto sería declarar que el ciclo de trabajo está modulado. Un ciclo de trabajo más alto significa un pulso más amplio.Ahora, hay muchas aplicaciones donde esos impulsos de potencia se aplican directamente a la carga con poco o ningún filtrado. Los calentadores son buenos, al igual que los ventiladores de DC. Luego está mi favorito, o para ser más honesto, mi menos favorito, el TRIAC o dimmer de fase. Ese
es el circuito simple que se muestra en la parte inferior izquierda, y
utiliza componentes puramente analógicos para cortar una parte de la
línea de CA que alimenta las bombillas halógenas o de filamento
tradicionales. La
razón de mi relación de amor y odio con los atenuadores TRIAC es que
una vez que comprenda un poco más sobre el cambio de fuentes de
alimentación, verá que los TRIAC y los mezcladores se mezclan tan bien
como el aceite y el agua.Ahora,
el convertidor de CC a CC, que está en la parte inferior derecha,
comienza con este concepto de PWM, pero agrega un elemento crítico, un
filtro. El
propósito del filtro es suavizar o promediar los pulsos de voltaje,
corriente o potencia para aquellos que no pueden realizar ese promedio
de forma natural.
Casi
todos los convertidores descritos en este seminario completo se
denominan comillas en el cambio de cotizaciones duras porque encienden o
apagan un interruptor mientras hay un voltaje a través de él o una
corriente que fluye a través de él. Interrumpir
la corriente o cortocircuitar la tensión se conoce como conmutación
brusca, y para ser honesto, es difícil para los interruptores. Lo que quiero decir es que el cambio brusco causa la disipación de energía. La disipación de potencia causa calor. Y ahora sabemos que el calor es el asesino número uno de la electrónica. Al menos es para electrónica industrial. Para la electrónica de consumo, el asesino número uno sigue siendo el retrete en el que cae su teléfono móvil.Una
excelente manera de pensar en un convertidor de interruptor duro es
mediante el uso de este elemento de tres terminales muy básico. La
onda cuadrada aparece en el punto negro en el centro, y nuestro amigo,
el inductor de potencia, es el elemento principal del filtro de
suavizado. Es la parte de salida del inductor la que determina el tipo, también conocido como la topología, del convertidor de conmutación.Si
bien no se muestra aquí, es importante tener en cuenta que esos dos
interruptores funcionan fuera de fase, lo que significa que solo uno de
ellos está encendido alguna vez en un momento dado. Si por alguna razón ambos se activan al mismo tiempo, algo malo sucederá. Eso es lo que llamamos disparar. Más sobre eso en la próxima diapositiva.
Casi
todos los convertidores descritos en este seminario completo se
denominan comillas en el cambio de cotizaciones duras porque encienden o
apagan un interruptor mientras hay un voltaje a través de él o una
corriente que fluye a través de él. Interrumpir
la corriente o cortocircuitar la tensión se conoce como conmutación
brusca, y para ser honesto, es difícil para los interruptores. Lo que quiero decir es que el cambio brusco causa la disipación de energía. La disipación de potencia causa calor. Y ahora sabemos que el calor es el asesino número uno de la electrónica. Al menos es para electrónica industrial. Para la electrónica de consumo, el asesino número uno sigue siendo el retrete en el que cae su teléfono móvil.Una
excelente manera de pensar en un convertidor de interruptor duro es
mediante el uso de este elemento de tres terminales muy básico. La
onda cuadrada aparece en el punto negro en el centro, y nuestro amigo,
el inductor de potencia, es el elemento principal del filtro de
suavizado. Es la parte de salida del inductor la que determina el tipo, también conocido como la topología, del convertidor de conmutación.Si
bien no se muestra aquí, es importante tener en cuenta que esos dos
interruptores funcionan fuera de fase, lo que significa que solo uno de
ellos está encendido alguna vez en un momento dado. Si por alguna razón ambos se activan al mismo tiempo, algo malo sucederá. Eso es lo que llamamos disparar. Más sobre eso en la próxima diapositiva.
Corriente inductoraMire de cerca este circuito. Todo lo que realmente hemos hecho es rotar ese elemento de tres terminales. Ahora, mira V out y V in. Si se invirtieran, sería un dólar. Un
convertidor elevador, como su nombre lo indica, aumenta la tensión de
salida hasta un nivel más alto que el voltaje de entrada, y no es más
que un convertidor de inversión en reversa.Cuando estudié por primera vez estos convertidores, el dinero tenía perfecto sentido para mí. Después de todo, es solo una onda cuadrada de filtro. Pero luché con el impulso al principio. ¿Cómo podría aumentar la tensión de salida? Bueno, la respuesta está en la física del inductor, que es realmente el corazón de cualquier convertidor de conmutación. Una
vez que obtienes una corriente que fluye en un inductor, es físicamente
imposible detener instantáneamente el campo magnético que acompaña a
esa corriente. Muchas
personas, documentos, libros de texto y notas del EP dirán que es la
corriente que no se puede detener, pero prefiero pensar en el campo
magnético.Ahora,
veremos el convertidor elevador en todos sus gloriosos detalles en una
sección posterior del seminario, pero por ahora, digamos que el inductor
puede generar casi cualquier voltaje necesario para mantener ese campo
magnético continuo, y si aprovechamos esa capacidad, podemos producir un voltaje de salida más alto que la entrada.Una nota final. Gracias
a la conexión del inductor en la entrada, la corriente promedio del
inductor es la misma que la corriente de entrada promedio para un
convertidor elevador.
El convertidor inversor Buck-boostUna
vuelta más del elemento de los tres terminales nos proporciona la
topología básica final del convertidor de CC a CC, el convertidor
inversor de aumento de potencia. Tuve
un profesor maravilloso en la universidad que impartió el curso de
introducción a la electrónica de potencia, y puso mucho entusiasmo en el
nombre. Él siempre decía "¡Buck-boost!"¿Qué quiero decir con invertir? Bueno, este es otro caso en el que creo que muchos libros de texto y notas de EP no son lo suficientemente específicos. Hay
muchas topologías de buck-boost, porque cuando usa solo esas dos
palabras, simplemente significa un convertidor cuya tensión de salida
puede estar por encima o por debajo del valor de la tensión de entrada.Y este convertidor también invierte la polaridad de la tensión de salida con respecto a la tierra. De hecho, puedes ver que dibujé el condensador de salida polar para mostrar esto. Este
es un gran secreto para usar si desea alimentar algunos amplificadores
operacionales bipolares y necesita menos 5 voltios o menos 15 voltios.Ahora,
para ser claros, es el valor absoluto de la tensión de salida que puede
ser mayor o menor que el valor absoluto de la tensión de entrada en
este circuito. Una vez más, echemos un vistazo a dónde se conecta el inductor. La
corriente promedio del inductor es diferente tanto de la corriente de
entrada promedio como diferente de la corriente de salida promedio para
los convertidores de inversión invertida.Corriente inductora
Mirando con más detalle en el corazón de nuestros convertidores de conmutación básicos, todos operan con el mismo principio básico. Durante la primera porción de un ciclo de longitud T, usamos esos interruptores para aplicar un voltaje dado a través del inductor. Esto hace que fluya una corriente. Cuando el voltaje aplicado es constante, la corriente inducida aumenta linealmente.Después de un período de tiempo, t en, igual al ciclo de trabajo D multiplicado por el período T ha transcurrido, los interruptores cambian, y se aplica un voltaje de polaridad opuesta a través del inductor. Ahora, esto no es necesariamente una tensión negativa con respecto a la tierra, simplemente negativa con respecto a la tensión aplicada durante la primera parte del ciclo. Hay un equilibrio, el llamado segundo balance de voltios, lo que significa que el producto de la tensión aplicada y el tiempo que se aplica durante la primera parte del ciclo debe ser igual al producto de la tensión y el período de tiempo aplicado durante el segunda porción del ciclo. Si esos no son iguales, entonces sucederá una de dos cosas. La salida del convertidor va a cero o poof, la salida intenta ir al infinito.Como solía decir otro antiguo colega mío de NSC: "Dejas que la magia se escape".Una imagen real de Inductor I y VTan bueno como lo fue mi clase introductoria sobre electrónica de potencia, nunca miramos formas de onda reales. Ahora, también admito que acabo de recibir una nueva sonda de voltaje diferencial, y no hay nada como un juguete nuevo para inspirar.Aquí tenemos un convertidor buck genuino, que opera desde una entrada de 12 voltios, que entrega una salida de cinco voltios y entrega una corriente de salida de cinco amperios. El canal uno en amarillo es el voltaje diferencial a través del inductor como se muestra en este esquema, y el canal dos en azul es el voltaje en el nodo de conmutación. Ese es el punto negro, recuerde, donde se conectan esas tres partes de los tres elementos terminales con respecto al suelo. Y finalmente, el canal cuatro en verde es la corriente del inductor.La sonda diferencial me permite medir tanto la tensión de referencia a tierra con una sonda estándar como una tensión flotante al mismo tiempo, algo que de otro modo sería imposible. Aquí está el circuito real, que muestra dónde medimos los diferentes voltajes y corrientes, y finalmente, una fotografía de la configuración real en sí. Ver es creer.Siguiente: Sección 1-2 - Tres topologías de conmutación básicasEn la Sección 1.2, profundizaré en más detalles con las tres topologías básicas de conmutación, observaré interruptores más prácticos, exploraré las diferencias entre modos de conducción continuos y discontinuos, y examinaré las topologías derivadas y compuestas, también. Nuestro primer vistazo a una topología común de CA a CC será con el regulador de retorno. Finalmente, me desviaré tanto como me atreva a ir al territorio de marketing, explicando un poco sobre lo que se puede encontrar dentro de un paquete IC de regulador de conmutación y lo que aún se encuentra fuera de la PCB.Con esto concluye la Parte 1-1, y espero que hayas aprendido algo y que vuelvas a ver la próxima sesión y las futuras también. En la Parte 1-2, veremos cada uno de los tres convertidores básicos de CC a CC con más detalle, y también veremos el convertidor de retorno y algunas topologías compuestas.Haga clic aquí para la Parte 1-2 de nuestra serie de diseño de suministro de energía
Mirando con más detalle en el corazón de nuestros convertidores de conmutación básicos, todos operan con el mismo principio básico. Durante la primera porción de un ciclo de longitud T, usamos esos interruptores para aplicar un voltaje dado a través del inductor. Esto hace que fluya una corriente. Cuando el voltaje aplicado es constante, la corriente inducida aumenta linealmente.Después de un período de tiempo, t en, igual al ciclo de trabajo D multiplicado por el período T ha transcurrido, los interruptores cambian, y se aplica un voltaje de polaridad opuesta a través del inductor. Ahora, esto no es necesariamente una tensión negativa con respecto a la tierra, simplemente negativa con respecto a la tensión aplicada durante la primera parte del ciclo. Hay un equilibrio, el llamado segundo balance de voltios, lo que significa que el producto de la tensión aplicada y el tiempo que se aplica durante la primera parte del ciclo debe ser igual al producto de la tensión y el período de tiempo aplicado durante el segunda porción del ciclo. Si esos no son iguales, entonces sucederá una de dos cosas. La salida del convertidor va a cero o poof, la salida intenta ir al infinito.Como solía decir otro antiguo colega mío de NSC: "Dejas que la magia se escape".Una imagen real de Inductor I y VTan bueno como lo fue mi clase introductoria sobre electrónica de potencia, nunca miramos formas de onda reales. Ahora, también admito que acabo de recibir una nueva sonda de voltaje diferencial, y no hay nada como un juguete nuevo para inspirar.Aquí tenemos un convertidor buck genuino, que opera desde una entrada de 12 voltios, que entrega una salida de cinco voltios y entrega una corriente de salida de cinco amperios. El canal uno en amarillo es el voltaje diferencial a través del inductor como se muestra en este esquema, y el canal dos en azul es el voltaje en el nodo de conmutación. Ese es el punto negro, recuerde, donde se conectan esas tres partes de los tres elementos terminales con respecto al suelo. Y finalmente, el canal cuatro en verde es la corriente del inductor.La sonda diferencial me permite medir tanto la tensión de referencia a tierra con una sonda estándar como una tensión flotante al mismo tiempo, algo que de otro modo sería imposible. Aquí está el circuito real, que muestra dónde medimos los diferentes voltajes y corrientes, y finalmente, una fotografía de la configuración real en sí. Ver es creer.Siguiente: Sección 1-2 - Tres topologías de conmutación básicasEn la Sección 1.2, profundizaré en más detalles con las tres topologías básicas de conmutación, observaré interruptores más prácticos, exploraré las diferencias entre modos de conducción continuos y discontinuos, y examinaré las topologías derivadas y compuestas, también. Nuestro primer vistazo a una topología común de CA a CC será con el regulador de retorno. Finalmente, me desviaré tanto como me atreva a ir al territorio de marketing, explicando un poco sobre lo que se puede encontrar dentro de un paquete IC de regulador de conmutación y lo que aún se encuentra fuera de la PCB.Con esto concluye la Parte 1-1, y espero que hayas aprendido algo y que vuelvas a ver la próxima sesión y las futuras también. En la Parte 1-2, veremos cada uno de los tres convertidores básicos de CC a CC con más detalle, y también veremos el convertidor de retorno y algunas topologías compuestas.Haga clic aquí para la Parte 1-2 de nuestra serie de diseño de suministro de energía
