Dimensionamiento de los componentes de un convertidor Buck

Reguladores de conmutación: Parte 1 - Descripción general del dimensionamiento de los componentes de un convertidor Buck

Si nunca has trabajado con convertidores conmutados y más aún si nunca has elegido componentes para convertidores conmutados, todo esto te puede parecer un poco abrumador a primera vista.

La diversidad y el gran número de circuitos integrados de conmutación, las numerosas hojas de datos técnicos y notas de aplicación asociadas, las redes de compensación, los cálculos extensos... Hay muchos obstáculos que pueden haberse interpuesto en tu camino y que quizás hayas optado por utilizar reguladores lineales en tu diseño por su simplicidad inherente. 

Aunque los reguladores lineales, como los LDO, tienen su espacio en muchos diseños, como ingeniero de diseño en el siglo XXI es probable que tengas que lidiar con reguladores de conmutación en algún momento. Además, los reguladores de conmutación son una herramienta increíblemente útil y algo que todo ingeniero electrónico debería tener en su caja de herramientas para poder utilizarlos. El aumento de la capacidad del manejo de energía, la eficiencia, el aumento y la reducción de los voltajes o el aislamiento son solo algunas de las muchas ventajas que los reguladores de conmutación pueden aportar a tus diseños de hardware.

En el primer artículo de esta serie, veremos el dimensionamiento de los componentes del regulador de conmutación más común: el convertidor Buck. Los artículos posteriores se centrarán en otras topologías (como el aumento), la selección y el dimensionamiento de componentes adicionales, así como el diseño y enrutamiento de PCB.

Este artículo ofrece una descripción muy resumida de los pasos a seguir. Para profundizar en el tema, no dudes en ver este vídeo.

Descripción general del convertidor Buck

El tipo específico de regulador conmutado en el que nos vamos a centrar es el convertidor Buck (o convertidor reductor). Como su nombre indica, este convertidor convierte un voltaje de CC en su entrada y lo reduce a un voltaje más bajo. Esta es la topología de regulador conmutado más común y su funcionamiento es sorprendentemente sencillo.

Arriba se muestra la topología de un convertidor Buck. Ten en cuenta que hay variaciones en esta topología básica.

El interruptor S suele ser un MOSFET. El controlador que se muestra debajo del conmutador controla el voltaje aplicado a la puerta a través de un controlador de puerta adecuado que, en pocas palabras, abre y cierra el interruptor.

Cuanto más tiempo esté encendido el interruptor, mayor será la tensión de salida respecto a la de entrada. La red de salida (inductor L en combinación con Cout) se puede considerar como un filtro de paso bajo para reducir los armónicos de conmutación mientras almacena energía cuando el interruptor está apagado.

Necesitamos el diodo rectificador D para cuando el interruptor esté abierto y la energía se almacene en el inductor. Sin esto, la energía almacenada no tendría a dónde ir.

Por último, el controlador detecta el voltaje de salida a través de una red de retroalimentación (RFB1 y RFB2) y lo compara con una referencia interna. Esto permite que el controlador funcione con un control de circuito cerrado.

Especificación de los requisitos y selección del CI

El dimensionamiento de un regulador conmutado depende de su uso. Como mínimo, necesitamos que se definan estos parámetros (con valores de ejemplo):

Rango de voltaje de entrada, voltaje nominal de salida y corriente máxima de salida (carga).

Con esta información podemos seleccionar un circuito integrado (CI) de convertidor Buck adecuado recurriendo a la habitual búsqueda de piezas de un distribuidor. Ten en cuenta que algunos circuitos integrados contienen el conmutador y el diodo de rectificador, mientras que otros no.

Corriente de conmutación máxima

Una vez que hemos elegido un CI adecuado, debemos calcular las corrientes máximas del conmutador, del diodo y del inductor. Esta es la corriente mínima que estos componentes deben ser capaces de manejar.

El cálculo de la corriente de conmutación máxima es un procedimiento de cuatro pasos. 

1. Determina el ciclo de trabajo D, el voltaje de entrada V(entrada) y salida V(salida) y la eficiencia d.
   D = V(salida)/[V(entrada) * d] 
2. Calcula la corriente de fluctuación del inductor I(L, fluctuación) utilizando un valor de inductancia promedio L y la frecuencia de conmutación f(SW) indicada en la hoja de datos.
   I(L, fluctuación) = [V(entrada) - V(salida)] * D/[f(SW) * L]
3. Comprueba si el CI del Buck elegido puede proporcionar la corriente de salida máxima requerida.
4. Por último, calcula el pico de corriente.
   I(SW, máx) = I(carga) + 0,5 * I(L, fluctuación)

Selección de inductores

La elección de un valor de inductancia adecuado es uno de los aspectos clave del diseño del convertidor Buck. Deberíamos diseñar para el peor de los casos, es decir, la menor corriente de carga esperada, lo que a su vez produciría la mayor inductancia. Esto mejorará la eficiencia general de nuestro regulador.

Conociendo todos nuestros parámetros de diseño, la inductancia mínima requerida es:

L(mín) = V(salida) * [V(entrada) - V(salida)]/[k * I(carga) * f(SW) * V(entrada)]

El valor k se encuentra habitualmente entre 0,2 y 0,4. Utiliza el voltaje de entrada máximo esperado para V(entrada).

Condensadores de entrada y salida

El cálculo del valor de la capacidad de entrada y salida requerida no es una tarea fácil. La selección del condensador de salida suele ser la más crítica de las dos, ya que esto influye directamente en la estabilidad y la fluctuación del voltaje. Por suerte, esta información normalmente aparece en la hoja de datos.

Comprueba el dieléctrico y la tensión nominal de los condensadores.

Red de retroalimentación

La red de retroalimentación, que normalmente consta de un divisor de potencial, determina el voltaje de salida. El CI elegido tendrá una referencia de tensión de precisión V(FB) (que figura en la hoja de datos del CI) con la que se compara esta tensión de retroalimentación.

A continuación, podemos elegir las resistencias de retroalimentación para que nos den el voltaje de salida deseado.

V(salida) = V(FB) * [1 + R(FB1)/R(FB2)]

El orden de magnitud de las resistencias de retroalimentación suele estar entre las decenas y las centenas de kΩ. Asegúrate de usar resistencias con una tolerancia del 1%. 
 
Este artículo te ha ofrecido una breve descripción general de los cálculos típicos necesarios para dimensionar un convertidor Buck. Consulta este vídeo para obtener más información, así como un ejemplo práctico.

Estate atento a la próxima entrada del blog de esta serie, que te enseñará más sobre mejores prácticas en el diseño de reguladores de conmutación con Altium Designer.