Diseño eficiente de convertidores DC-DC: Mediciones automatizadas con Altium Designer 24 MixedSim

Uno de los principales desafíos en la electrónica moderna es proporcionar soluciones de suministro de energía a medida. Esta sección puede estar compuesta por muchos diferentes SMPS (fuente de alimentación conmutada) como convertidores de AC a DC o de DC a DC. En aplicaciones de alta potencia, la conversión de AC a DC puede requerir un controlador PFC para lograr un buen factor de potencia del dispositivo (es decir, reducción de armónicos y consumo de potencia aparente). Los desafíos típicos en el diseño de SMPS son:

1. cantidad de reguladores SMPS para lograr los voltajes y corrientes de suministro de energía requeridos por el diseño;
2. costos de implementación;
3. área requerida para implementar el diseño;
4. diseño del layout;
5. eficiencia y reducción de calor o diseño de soporte de gestión térmica.

Los puntos "d" y "e" pueden abordarse fácilmente con Altium Designer Mixed Simulation. Por ejemplo, puedes simular las densidades de corriente en el PCB usando Power Analyzer de Keysight, que puede integrarse con Altium Designer. Este artículo profundiza en cómo hacer un convertidor buck DC-DC más eficiente, compartiendo algunos consejos fáciles y efectivos para estimar rápidamente su eficiencia.

Acerca del Diseño del Convertidor Buck

El esquemático básico del convertidor buck se muestra en Figura 1:

Figura 1

Utiliza cuatro amplificadores operacionales para crear el generador de señal de rampa (U3A), amplificador de error (U1B), buffer para la señal de rampa (U2B) y modulador (U2A). La tensión de referencia se simula como una fuente de CC conectada al amplificador de error a través de una red RC, proporcionando una característica de arranque suave. La Figura 1 es un convertidor en modo de tensión, utilizando modulación PWM para establecer la tensión de salida.

La etapa de potencia se construye alrededor de Q1, L1, D2 y C2, con R7 sirviendo como la resistencia de carga para el convertidor. Los componentes relacionados con U3A establecen la frecuencia de operación, la cual se puede ajustar fácilmente cambiando C1. Con C1 ajustado a 4.3nF, la frecuencia es de alrededor de 100kHz.

La red de compensación, que afecta la estabilidad del convertidor, puede ajustarse para mejorar la estabilidad o la respuesta al escalón (C4, C3-R10 y R12-C6). R8 y R9, junto con la tensión de referencia, establecen la tensión de salida. En este caso, R8 y R9 crean un divisor de 1:2, resultando en una tensión de salida de 6V.

La Figura 2 muestra las señales recopiladas durante la simulación. La corriente de salida se establece en 2A, lo que también se refleja en la corriente promedio a través de L1.

La Figura 2

Para estimar la eficiencia del diseño, se deben calcular dos cantidades a partir del diseño: la potencia de entrada y la potencia de salida. La relación de la potencia de salida a la potencia de entrada es la eficiencia.

La simulación SPICE en Altium Designer puede proporcionar fácilmente cálculos de potencia y la división de estas cantidades para determinar el valor de eficiencia.

Cómo Calcular la Potencia de Entrada

La potencia de entrada para el convertidor DC-DC proviene de V1 (una fuente de CC). Puedes obtener la potencia de V1 desde la ventana de Añadir Expresión de Salida, accesible a través de la pestaña del Tablero de Simulación (ver Figura 3).

Figura 3

Figura 4 muestra el gráfico de potencia (gráfico 4):

Figura 4

Para calcular el consumo de potencia, puedes promediar la forma de onda usando la expresión AVG() (ver Figura 5).

Figura 5

Figura 6 presenta la forma de onda promediada, aunque se pueden ver algunas ondulaciones debido al alcance de la ventana. El consumo de potencia se puede leer usando un cursor, que muestra 13.26W.

Figura 6

Para obtener el valor instantáneo de la potencia entregada al convertidor, se puede configurar una medición como se muestra en Figura 7.

Figura 7

Además, la función AVG() debe eliminarse de la expresión de la forma de onda para evitar promediar una forma de onda ya promediada, ya que esto puede resultar en inexactitudes. La pestaña de Mediciones de Datos de Simulación mostrará la potencia entregada por V1, como se muestra en Figura 8.

Figura 8

Cómo Calcular la Potencia de Salida

El cálculo de la potencia de salida (entregada a R7) se puede realizar de la misma manera, como se muestra en Figura 9 y Figura 10.

Figura 9: Configuración para el trazo de potencia de R7

Figura 10: Valores de potencia de entrada (PWR-IN) y salida (PWR-OUT) obtenidos mediante "Mediciones"

Cómo Calcular la Eficiencia

El siguiente paso para calcular la eficiencia es dividir la potencia de salida por la potencia de entrada. Una forma de hacer esto es crear una traza en el gráfico que represente la división de las dos potencias (Figura 11) y tomar un promedio (Figura 12). Opcionalmente, puedes multiplicar por 100 para presentar los resultados como un porcentaje. Ten en cuenta que la función AVG() en Mediciones se aplica durante un lapso de tiempo de 875µs a 1ms para promediar solo la parte de la forma de onda que se puede considerar un estado estacionario (ver Figura 13).

Figura 11: Expresión de traza para eficiencia

Figura 12 & 13: Configuración de medición para el cálculo de eficiencia

El valor de eficiencia se muestra en la pestaña de Datos de Simulación (Figura 14). El valor medido es 0.82 (82%). Pueden ser necesarios cambios adicionales en el diseño en Figura 1 para aumentar la eficiencia a un valor más alto (es decir, para reducir la disipación de calor). Por ejemplo, se puede usar la rectificación sincrónica en lugar de D2, o se puede aumentar la fuerza de conducción para la puerta de Q1.

Figura 14: Eficiencia del convertidor DC-DC mostrada en la pestaña "Mediciones"

En Conclusión

La simulación SPICE en Altium Designer puede abordar los desafíos de diseño de su fuente de alimentación para reducir el tiempo y el costo. Las mediciones de eficiencia o corriente del inductor, así como el ajuste del diseño en tiempo real, pueden implementarse fácilmente utilizando opciones avanzadas como Mediciones y operaciones matemáticas. La facilidad de uso y la flexibilidad del entorno de simulación pueden manejar incluso los desafíos de diseño más complejos, ahorrándole tiempo y permitiéndole concentrarse en lograr la mejor implementación del diseño.