Diseño de circuitos SMPS: ¿Qué frecuencia de conmutación utilizar?

Suministro de energía en un conmutador de red

Los diseñadores de electrónica de potencia y de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) deben saber que trabajar con frecuencias de conmutación más altas puede llevar a mayores pérdidas por conmutación en su sistema. Sin embargo, la tendencia a miniaturizar las fuentes de alimentación y los componentes que se integran en ellas, obliga a los diseñadores a trabajar con frecuencias de conmutación más altas en sus diseños de circuitos SMPS. Esto, a su vez, crea problemas donde las pérdidas por conmutación y el ruido pueden volverse severos en su sistema.

Como la mayoría de las decisiones de ingeniería, elegir la frecuencia de conmutación adecuada representa un conjunto de compensaciones que involucran reducir el tamaño de los componentes, reducir las pérdidas y eliminar el ruido; puede ser difícil o imposible lograr estos tres objetivos simultáneamente. Sin embargo, con algunas decisiones inteligentes en el diseño de PCB, puedes equilibrar la necesidad de frecuencias y tasas de transición más altas en tu circuito SMPS con la necesidad de mantener el ruido al mínimo.

Optimizando Frecuencia, Pérdida y Ruido en un Circuito SMPS

Para que un SMPS opere con componentes más pequeños, la señal de conmutación PWM debe funcionar a una frecuencia más alta. El inductor de salida, el capacitor y el diodo están diseñados para pasar la energía de CC a través de la salida mientras filtran el ruido de conmutación, cualquier ondulación residual del voltaje de entrada (por ejemplo, de un circuito rectificador) y cualquier armónico espurio que pueda estar presente en la entrada. En otras palabras, la salida actúa como un filtro de paso bajo (realmente, este es un filtro de banda pasante RLC) dentro de un cierto ancho de banda. Podemos definir una frecuencia de corte para este filtro (no confundir con la frecuencia de rodilla de una señal digital de conmutación).

Para evitar que el ruido de conmutación PWM se propague a través de la salida, la frecuencia de conmutación PWM debe ser mayor que la frecuencia de corte del circuito. Ya sea que esté trabajando con una topología buck o boost en su circuito SMPS, la frecuencia de corte de la salida será inversamente proporcional a la capacitancia y la inductancia de salida. En otras palabras, puede usar componentes más pequeños en su circuito SMPS si utiliza una frecuencia de conmutación PWM suficientemente alta.

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Diagrama del circuito SMPS buck-boost

Se asume generalmente que la frecuencia de conmutación de la señal PWM en su circuito SMPS será el principal determinante de las pérdidas, las cuales luego se convierten en calor. Este problema al usar una frecuencia más alta es correcto, pero la frecuencia no es el único parámetro que determina las pérdidas en el MOSFET. En realidad, con los MOSFETs de potencia utilizados en circuitos SMPS, la tasa de cambio de borde es un determinante importante de las pérdidas por calentamiento en el circuito SMPS.

Ningún elemento del circuito es ideal, pero tendemos a tratarlos como tal cuando no es apropiado. Lo mismo se aplica al MOSFET mostrado arriba. Cuando la señal PWM cae a 0 V, el MOSFET puede no apagarse completamente y puede continuar conduciendo cuando la tasa de cambio de borde es demasiado lenta. Si aumenta la tasa de cambio de borde de la señal PWM, el MOSFET puede ser completamente ciclado y conducirá menos en el estado OFF. Esto en realidad reduce la pérdida de potencia, incluso cuando la frecuencia de conmutación se establece en un valor más alto.

La combinación de una frecuencia PWM más alta y una tasa de cambio de borde PWM más rápida permite utilizar componentes más pequeños en el circuito SMPS. Debido a que las pérdidas de potencia (es decir, la disipación de calor) son menores, se puede utilizar un disipador de calor más pequeño. Sin embargo, la señal PWM de alta frecuencia irradia fuertemente, y la rápida tasa de cambio de borde conduce a una respuesta transitoria en el circuito. Este comportamiento está totalmente relacionado con la capacitancia y la inductancia parásitas en los niveles del paquete MOSFET y del diseño de la placa. Necesitarás asegurarte de que tu circuito SMPS esté dispuesto de tal manera que la inductancia parásita se minimice.

Reduce los picos de ruido en SMPS con elecciones inteligentes de diseño

La inductancia parásita en tu circuito SMPS (que incluye la red de distribución de potencia aguas abajo) determinará el tamaño del pico de voltaje en el circuito SMPS. La capacitancia parásita también contribuye a los picos de voltaje/corriente en el circuito SMPS, pero esto no domina hasta que estás trabajando a niveles de kV. Este pico de voltaje particular, debido a la inductancia parásita, ocupa bucles de circuito en tu diseño SMPS, lo que puede estresar los componentes hasta el punto de falla.

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Si utiliza una tasa de cambio de borde más rápida, inducirá una corriente transitoria mayor en su circuito SMPS. Incluso un trazo relativamente corto (unos pocos cm) en FR4 de espesor estándar tendrá ~10 nH de inductancia parásita. Un borde ascendente rápido en la señal PWM con una corriente ON de unos pocos amperios puede inducir un pico de varios voltios. Con el tiempo, esto estresa los componentes y conduce al fallo del SMPS.

Con una frecuencia de conmutación más alta y tasas de cambio de borde PWM más rápidas, puede usar componentes más pequeños que este inductor y estos capacitores.

Superar este desafío puede ser difícil ya que requiere extraer los parásitos en el circuito SMPS. La estrategia típica al diseñar uno de estos circuitos es realizar simulaciones desde su esquemático para verificar la funcionalidad, seguido de pruebas una vez que se crea un prototipo. Esperamos que, con las pautas descritas aquí, pueda reducir el número de iteraciones de prototipos necesarias para llegar a un dispositivo funcional.

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