Diseño de Fuentes de Alimentación - Determinación de Soluciones

Requisitos a considerar en el diseño de fuentes de alimentación

Funcionalidad: Se debe tener en cuenta la tensión y la corriente de entrada (rango de variación), así como la tensión y la corriente de salida, con el fin de cumplir con los objetivos generales de potencia y lograr la máxima eficiencia en la conversión del sistema.
Rendimiento: Esto incluye la magnitud de la ondulación en la tensión de salida, la capacidad de carga, eficiencia, nivel de calentamiento, entre otros.
Costo: Se refiere al costo total del sistema, considerando tanto los componentes esenciales como los periféricos (inductores, bobinas, condensadores, controladores de MOSFET, etc.).
Espacio: Debe considerarse el tamaño físico del sistema, su ubicación, la disipación de calor y las posibles interferencias.

Cómo elegir una solución de fuente de alimentación

Tipos comunes de fuentes de alimentación

Reguladores Lineales
- Reguladores de tres terminales
- Reguladores lineales de baja caída (LDO)
Reguladores Conmutados
- No aislados
  - Reductor (Buck)
  - Elevador (Boost)
  - Reductor-elevador (Buck-Boost)
  - Conversor de polaridad dual de dos etapas (Ćuk)
  - Conversor de polaridad dual de una sola etapa (SEPIC, ZETA)
- Aislados
  - Primario regulado
  - Secundario regulado
Circuitos Integrados de Alimentación
- Múltiples salidas
- Circuitos integrados de carga

Comparación de parámetros entre reguladores lineales y conmutados

	Regulador Lineal	Regulador Conmutado
Eficiencia	Relativamente baja (30% ~ 60%)	Relativamente alta (70% ~ 90%)
Modos de regulación	Solo regulación descendente	Regulación descendente, ascendente, ascendente-descendente, regulación inversa
Generación de calor	Relativamente alta	Relativamente baja
Tamaño	Relativamente grande	Relativamente pequeño
Peso	Relativamente pesado	Relativamente ligero
Complejidad del circuito	Simple	Relativamente complejo
Estabilidad	Relativamente alta	Regular
Respuesta transitoria	Rápida	Lenta
Ruido	Ninguno	Sí (requiere medidas para mitigarlo)
Aislamiento	No aislado	Puede ser aislado
Aplicaciones	Bajas corrientes, baja interferencia, baja eficiencia	Altas corrientes, alta eficiencia

Diferencia visual entre reguladores lineales y conmutados

Para comprender la diferencia, se puede asemejar la tensión de salida al flujo de agua de un grifo. En el caso de los reguladores lineales, el flujo de agua se ajusta según la cantidad requerida, como abrir o cerrar el grifo. En cambio, los reguladores conmutados solo tienen dos estados posibles, abierto o cerrado, y controlan el flujo de agua rápidamente ajustando el ciclo de trabajo.

Los reguladores lineales utilizan transistores en estado lineal para controlar la corriente y mantener una tensión estable, lo que resulta en una estructura simple y una alta supresión de ruido (hasta 60 dB, es decir, más de 1000 veces). Sin embargo, su eficiencia suele ser más baja y requieren una diferencia de tensión mínima entre la entrada y la salida para regular adecuadamente, generalmente realizando una conversión de voltaje descendente. Los reguladores lineales son sencillos, generan poca ondulación en la tensión de salida y tienen una alta capacidad para suprimir perturbaciones en la entrada (PSRR), pero transforman la energía excedente en calor.

El regulador conmutado utiliza las propiedades de almacenamiento de energía de elementos inductivos y capacitivos para transmitir energía en paquetes segmentados. Esta energía empaquetada se almacena en el campo magnético de una bobina o en el campo eléctrico de un condensador. El control conmutado asegura que cada segmento solo transmita la energía requerida por la carga, lo que resulta en una alta eficiencia. La ventaja del regulador conmutado es su capacidad para reducir, aumentar o invertir la tensión de entrada, con un amplio rango de voltaje de entrada y alta eficiencia, que en algunos casos puede superar el 95%. Sin embargo, su desventaja radica en la complejidad de los circuitos periféricos, la sensibilidad en la selección de componentes periféricos y la posibilidad de interferencias y rizado significativos en la salida debido a señales de conmutación de alta frecuencia.

Combinación de Regulación conmutada y Lineal

Considerando las ventajas y desventajas de los reguladores conmutados y lineales, combinar su uso (primero un regulador conmutado y luego un regulador lineal) permite reducir el rizado en la salida y mejorar la eficiencia.

Selección basada en voltaje de entrada y salida

\(V_{in}>V_{out}\)
- Pequeña diferencia de voltaje, baja corriente de carga, baja sensibilidad al ruido: regulador lineal (LDO).
- Gran diferencia de voltaje, alta corriente de carga, no muy sensible al ruido: regulador conmutado Buck.
- Baja corriente de carga, poca sensibilidad al ruido, alta eficiencia requerida: bomba de carga (charge pump).
\(V_{in}<V_{out}\)
- Baja potencia: bomba de carga.
- Gran diferencia de voltaje, alta corriente de carga, no muy sensible al ruido: regulador conmutado Boost.
Rango variable de \(V_{in\), que puede ser mayor o menor que \(V_{out}\)
- Baja potencia: bomba de carga.
- Alta corriente de carga, no muy sensible al ruido: regulador conmutado Buck-Boost.
Si se necesita aislamiento
- Elija una topología aislada como flyback, forward, push-pull, full-bridge, entre otras.

Selección de componentes

Factores a considerar al elegir componentes:

Funcionalidad: si cumple con los requisitos de voltaje y corriente de entrada/salida.
Rendimiento: minimizar el rizado y el ruido, maximizar la eficiencia de conversión.
Costo: costo total del sistema.
Disponibilidad: facilidad de compra de los componentes.

Puede utilizar herramientas proporcionadas por los fabricantes de chips de suministro de energía, como TI Reference Design.

Diseño de PCB

En el caso de LDO, la generación de calor es un factor importante que afecta el rendimiento y la estabilidad, por lo que se debe considerar la disipación de calor al diseñar el layout.

En el caso de los reguladores DC-DC, se debe tener en cuenta la trayectoria de alta corriente para evitar un rizado significativo y asegurarse de que los pines de retroalimentación no se vean afectados. En general, puede seguir el diseño de layout proporcionado en el manual de datos, como se muestra a continuación:

Ejemplo de diseño de layout

Referencias y Agradecimientos

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