Simulación del convertidor Buck con Altium Designer

Zachariah Peterson
|  Created: August 19, 2020  |  Updated: March 29, 2021
Simulación del convertidor Buck con Altium Designer

Cualquier PCB nuevo que desees construir requerirá una fuente de alimentación. Por su parte, la potencia que necesitas proveer suele provenir de una fuente más ruidosa y no regulada. Un ejemplo es la salida de un rectificador de onda completa, que contendrá cierta ondulación residual en el puerto de salida. También es posible que el ruido provenga de un convertidor de corriente ascendente. En otros casos, obtendrás alimentación de una batería, y la salida de voltaje/corriente de la batería cambiará con el tiempo o con la temperatura.

Independientemente de la situación, normalmente se puede encontrar un convertidor DC-DC o LDO adecuado en un distribuidor, que podrás agregar sin problemas a tu placa. Cuando diseñes circuitos de alta potencia (normalmente de muy alto voltaje y/o corriente), necesitarás crear un regulador desde cero y colocarlo en tu placa de circuito impreso. Como parte del diseño del convertidor buck, tienes la posibilidad de ejecutar fácilmente una simulación del convertidor buck directamente desde el editor esquemático de Altium Designer. A continuación te explicamos cómo puedes utilizar estas funciones en la última versión de Altium Designer.

Inicio de una simulación de un convertidor Buck

El editor de esquemáticos de Altium Designer incluye un sistema para crear simulaciones basado en SPICE directamente a partir de sus datos de diseño. Otras plataformas brindan herramientas similares, aunque, con el tiempo requerirán la exportación de tus datos de diseño y de simulación a un programa externo para su análisis. Por el contrario, Altium Designer te permite hacerlo todo, empezando por la captura inmediata de tu esquemático como un nuevo diseño de PCB.

Después de completar el circuito convertidor Buck, puedes acceder a las herramientas de simulación del editor esquemático. Estos son los pasos a seguir para ejecutar una simulación de un convertidor de buck para tu circuito:

  1. Definir tus fuentes de voltaje. Sírvete de la biblioteca de componentes Simulation Sources.IntLib del panel Components para acceder a una serie de fuentes de simulación. Necesitas simular una entrada de CC (o una entrada de CA rectificada) y una fuente de PWM para conmutar el MOSFET de la parte alta (más abajo tienes más información).
  2. Coloca las sondas para las mediciones deseadas. El motor SPICE de Altium Designer devolverá la corriente, la potencia y los voltajes de las diferentes nets y componentes individuales. También puedes poner sondas de voltaje, corriente o potencia en tu esquemático, para recoger mediciones en nodos o componentes específicos.
  3. Crea un perfil de simulación. Con el editor de esquemas abierto, haz clic en el botón " Simulate" de la barra de menú principal. Accede a todas las funciones de simulación de SPICE haciendo clic en "Edit MixedSim Profile". Puedes renombrar su perfil como desees y configurar otros parámetros.
Buck converter simulation schematic
Esquemático básico para una simulación de un convertidor Buck

El objetivo de una simulación de un convertidor Buck es examinar de qué manera afectan el ciclo de trabajo de la señal PWM, la carga y cualquier otro componente a la salida de potencia del convertidor Buck. Se recomienda también examinar la ondulación, idealmente con una fuente de CA y un puente rectificador. Es una buena idea empezar con la topología básica del convertidor (ver arriba) e ir añadiendo más características una vez que se hayan elegido los componentes adecuados.

Modelado de la fuente PWM

La fuente PWM se puede modelar usando una fuente pulsada. En el diagrama de circuitos anterior he colocado una fuente de tensión, pero hay que introducir una corriente específica en la entrada del MOSFET. En una simulación, puedes colocar una fuente de corriente como VPULSE, o una resistencia en serie con VPULSE. Cualquiera de los dos métodos se puede usar para definir una fuente PWM para conmutar el MOSFET.

Ten en cuenta que todas las fuentes de CA o de conmutación tienen una corriente máxima que puede ser extraída por un dispositivo descendente, por lo que no está de más utilizar una fuente de corriente controlada por voltaje para examinar el comportamiento de tu circuito convertidor de potencia. Puedes establecer la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo accediendo a la información de simulación de la fuente de voltaje desde el panel Properties. Sólo tienes que ajustar el ancho del pulso (ciclo de trabajo) y el período (frecuencia) para sintonizar su fuente PWM modelada (tienes los ajustes a continuación).

PWM signal setup for buck converter simulation
Configuración de una señal PWM para la simulación de un convertidor Buck

He usado un agradable y suave pulso ascendente de 100 ns en las configuraciones de simulación anteriores, que es suficiente para los propósitos de modelado, ya que el ancho y el período del pulso son mucho mayores. Una vez definida la fuente PWM, puedes habilitar algunos análisis desde el perfil de simulación.

Buck converter simulation results

Qué se debe examinar en una simulación de un convertidor Buck

Lo más importante que hay que examinar en una simulación de un convertidor es el comportamiento transitorio. No hace falta llegar a un análisis polo-cero, puesto que se puede probar, simplemente por la retroalimentación negativa de los transistores, que la salida del convertidor buck entrará en un ciclo límite. Por consiguiente, sólo necesitas examinar cómo la señal PWM oscilante transforma el voltaje de salida. La mejor manera de hacerlo es en el dominio del tiempo mediante un análisis transitorio simple.

Recuerda que, a menos que hayas colocado filtros EMI en la entrada/salida y utilices un circuito PFC, no hay razón para extraer la función de transferencia, siempre y cuando el inductor esté dimensionado correctamente. En el caso de la corriente de ondulación deseada, el tamaño del inductor, los parámetros PWM y los voltajes de entrada requeridos deben obedecer a la siguiente ecuación:

How to select an inductor for a buck converter simulation
Relación entre la corriente de rizado y el tamaño del inductor en un convertidor Buck.

Una vez más, trabajaremos, por lo general, con frecuencias lo suficientemente bajas como para no tener que preocuparnos por los efectos de limitación del ancho de banda de nuestro FET. Para aprender más acerca de la selección de la frecuencia PWM correcta y la tasa límite, echa un vistazo a este artículo.

Pasando a tu diseño con captura esquemática

Si estás satisfecho con tu circuito convertidor de potencia y estás listo para interconectarlo con el resto del sistema, tienes algunas posibilidades:

Cuando ya estés listo para diseñar tu nueva placa, bastará con crear un PCB y utilizar la herramienta de captura de esquemas integrada para importar tus componentes a un nuevo diseño. Y ya podrás empezar a organizar tus componentes en tu nuevo diseño.

Si estás familiarizado con los convertidores de conmutación, sabrás que pueden crear un ruido significativo en tus circuitos. El mecanismo básico se debe a un fuerte campo magnético durante la conmutación del FET, que luego induce una corriente en algún lugar del circuito de bajada. El segundo mecanismo se explica por un problema de ondulación, que puede propagarse a través del convertidor y aparecer como ruido en la salida. La IEM inducida en cualquier lugar del circuito del convertidor, ya sea a través de un ruido de conmutación o de una fuente de RF externa, puede aparecer en la señal de salida si la fase de salida no está aislada. En este artículo puede leer más sobre la supresión del ruido de los convertidores de conmutación.

Si necesitas las mejores herramientas de diseño de circuitos, simulación y diseño de PCB del mundo, prueba con el paquete integral de características de diseño de Altium Designer®. Tendrás todo lo que necesitas para crear una nueva placa para tu convertidor DC-DC, ejecutar una simulación de convertidor Buck y encontrar los componentes de tu placa. Además, la función de búsqueda de piezas de fabricantes (Manufacturer Part Search) te permite obtener los modelos de componentes que necesitas para tu diseño directamente de los principales distribuidores y fabricantes de componentes.

Altium Designer, en combinación con Altium 365, ofrece una integración sin precedentes en la industria electrónica, que hasta ahora había quedado relegada al mundo del desarrollo de software, lo que permite a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes.

En este articulo apenas hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Échale un vistazo a la página del producto para una descripción más detallada de las características o a uno de los webinars bajo demanda.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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