Diseño de un convertidor resonante LLC y disposición en una PCB

Los convertidores CC-CC pueden ser difíciles de diseñar e incluso pueden ser peligrosos, especialmente en el caso de los convertidores conmutados con una salida de corriente elevada. Entre los distintos tipos de convertidores conmutados y sus topologías, los diseños de convertidores resonantes LLC no suelen mencionar hasta que se consultan las notas de aplicación de las empresas de electrónica de potencia. Estos convertidores son una parte fundamental de los sistemas de alta potencia, como los bancos LED, los electrodomésticos, las fuentes de alimentación para ordenadores de escritorio o servidores y muchos otros sistemas de conversión de energía.

Una vez estudiados los algoritmos de control y los métodos para implementar un bucle de retroalimentación, es cuando el diseño de un convertidor resonante LLC empieza a mostrar su valor. Podrías implementar el mismo tipo de algoritmo de control que utilizarías para un convertidor reductor-elevador (buck-boost) para adaptarlo a una fuente de alimentación con caída u ondulación excesivas, pero podrás alcanzar potencias de salida más elevadas con este tipo de convertidor de conmutación aislado. Cuando estés listo para diseñar tus PCB para estos sistemas, habrá algunos puntos que deberás recordar para garantizar la seguridad, la adecuada gestión del calor y la supresión de ruido.

Diseño de un convertidor resonante LLC

Un convertidor resonante LLC es un convertidor de conmutación aislado que controla la tensión de salida seleccionando la frecuencia adecuada para una señal conmutada. Compáralo con un convertidor de conmutación estándar (por ejemplo, de topología reductora o elevadora), en el que la salida se controla a través del ciclo de trabajo de una señal de conmutación. Estos sistemas se utilizan en muchas aplicaciones de alta potencia, incluso en sistemas con entrada de red de CA.

El siguiente diagrama de bloques muestra las distintas partes de un convertidor resonante LLC. La etapa de entrada del convertidor suele estar formada por un rectificador, una etapa de acondicionamiento de potencia (circuito PFC) y una batería de condensadores de suavizado. Aquí podría colocarse un filtro EMI si estamos tratando con una red de CA. Ten en cuenta que la etapa PFC no es estrictamente necesaria para un diseño de convertidor resonante LLC, pero mantendrá alta la eficiencia de la conversión de la potencia, como sucede en cualquier otro regulador de conmutación.

Conmutación de puente completo vs. de medio puente

El elemento de conmutación en el diseño de un convertidor resonante LLC dispone de dos configuraciones posibles. En un circuito de conmutación de puente completo, tenemos cuatro MOSFET, mientras que un circuito de conmutación de medio puente tiene dos MOSFET. Estos elementos se conectan y desconectan de la misma forma que los diodos de un puente rectificador cambian entre polarización directa e inversa cuando se les suministra corriente alterna. En este caso, el puente completo generalmente ocupará más espacio y generará más ruido. Personalmente, prefiero un circuito de conmutación de medio puente, ya que el condensador necesario para el control de frecuencias se puede colocar directamente en el circuito de medio puente (C1 y C2).

Rectificación de salida

La rectificación en el lado de salida se puede aplicar de varias maneras. El objetivo aquí es controlar la dirección de la corriente para que la salida sea siempre de CC. Los condensadores del lado de salida suavizarán cualquier ondulación cuando la sección del puente conmute. En los convertidores LLC más sencillos, la rectificación de salida la proporcionan los diodos, mientras que un diseño de convertidor resonante LLC de mayor corriente puede utilizar los MOSFET a fin de proporcionar la rectificación en el lado de salida.

Controlar la salida

La salida se ajusta seleccionando la relación de vueltas adecuada en el transformador, tal como harías con un circuito de CA. Sin embargo, la magnitud de la tensión detectada en el lado principal del transformador se controla ajustando la frecuencia de una señal de excitación enviada al circuito de conmutación. Esta señal de excitación es una señal de modulación de frecuencia de impulsos (PFM, por las siglas en inglés de pulse-frequency modulation) con un ciclo de trabajo de aproximadamente el 50 %.

El circuito de tanque resonante LC tendrá cierta ganancia, ya que la única resistencia en el circuito es la resistencia de estado activado de los MOSFET y la resistencia de bobinado de las bobinas del transformador/inductor. Los valores de ganancia típicos son de 1 a 1,5. A medida que la potencia de salida disminuye, el controlador debe ajustar la frecuencia de la señal de PFM y acercar el sistema a la resonancia. De este modo, se puede aumentar la potencia de salida si se aprovecha la ganancia suficiente en el lado principal del transformador.

Este tipo de método de control es lo suficientemente sencillo como para implementarlo con un bucle de retroalimentación, con un circuito de detección de corriente o tensión o con una MCU, tal como se muestra en la figura 3. También hay PMIC integrados que pueden proporcionar esta funcionalidad de detección y suministrar la señal de pulso necesaria para excitar el circuito puente. Por lo general, se necesita un optoacoplador para detectar la salida y devolverla a la entrada para ajustar la frecuencia de conmutación, lo que permitirá devolver una salida detectada al lado principal mientras se mantiene el aislamiento. Una vez diseñados los circuitos y seleccionados todos los componentes necesarios para el convertidor resonante LLC, habrá llegado el momento de pensar en cómo incorporarlo todo al diseño de la PCB.

Ubicación de los componentes en tu PCB

Dado que los diseños de convertidores resonantes LLC se utilizan normalmente en sistemas de tensión moderadamente alta, conviene seguir algunos consejos básicos de diseño:

• Transformador de salida: Sigue las prácticas recomendadas para fuentes de alimentación de CC aisladas cuando vayas a colocar el transformador final. El transformador aislará el lado de alta tensión de la salida, pero debes tener cuidado, ya que un operario podría seguir expuesto a la alta tensión del bucle de retroalimentación.
• Rectificador MOSFET: Para sistemas de alta corriente de salida, puedes utilizar los MOSFET en el lado de salida para proporcionar la rectificación de corrientes elevadas. Incluso se puede utilizar un grupo de MOSFET en paralelo en el lado de salida para proporcionar una mayor corriente sin aumentar la ruptura. 
• Clearances: Si trabajas a alta tensión, puedes utilizar las reglas de diseño de clearance de tus herramientas de diseño de PCB. Querrás estar seguro de que tu placa no infrinja las normas de seguridad sobre las clearances entre conductores con una gran diferencia de potencial entre ellos.
• Aislamiento: Tal como hemos mencionado anteriormente, es necesario mantener el aislamiento haciendo pasar la salida detectada de vuelta al pin de retroalimentación de un CI controlador mediante un optoacoplador. El transformador también deberá proporcionar un cierto nivel de tensión de aislamiento hasta un límite de frecuencia/tensión determinado, que puede estar especificado en normas industriales (IEC o UL) o en reglamentos.

Tal como ocurre en la mayoría de los sistemas de alta potencia, lo más probable es que la disposición necesite disipadores, ventiladores o ambos, montados en determinados componentes. Si cogemos, por ejemplo, una placa de LED, que puede funcionar a 500 W o más, lo mejor es utilizar una PCB de núcleo metálico, ya que este es capaz de disipar el calor de forma natural. En este caso, las vías térmicas en las almohadillas más importantes también pueden contribuir a descargar calor en una capa de plano.

Cuando estés listo para crear tu próximo diseño de un convertidor resonante LLC, utiliza el editor de esquemáticos y las herramientas de diseño de PCB de Altium Designer®. Una vez creados los esquemáticos y el diseño de la PCB, podrás compartir los datos de diseño en la plataforma Altium 365™, lo que te brinda una manera fácil de trabajar con tu equipo de diseño y gestionar toda la información.

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