Regulador de tensión de conmutación vs. regulador de tensión lineal: ¿Cuál es la mejor opción para tu circuito de gestión de alimentación?

_{Reguladores de tensión para circuitos de alimentación}

¿Alguna vez te ha explotado un condensador en la cara? Así es como empecé mi carrera en el diseño electrónico. También me equivoqué al realizar el cálculo del presupuesto de potencia para lo que inicialmente se presentó como un proyecto “sencillo”. El resultado final fue un prototipo de placa de circuito impreso (PCB) con un regulador de tensión al rojo vivo capaz de freír un huevo… o algo peor.

Desde entonces, me he dado cuenta de que la elegancia y la sofisticación del diseño importan poco. Si cometes un error al configurar los circuitos de administración de potencia, tu diseño es prácticamente inútil. Los cálculos del presupuesto de energía, la temperatura del ambiente y, en mi caso, la elección del componente central de gestió de alimentación, como por ejemplo un regulador de voltaje, puede hacer o deshacer su proyecto de PCB.

La Función de un Circuito de Gestión de la Fuente de Alimentación en un Sistema Integrado

En más de una década de diseño de sistemas integrados, he visto evolucionar los microcontroladores a pasos agigantados. Han pasado del histórico Zilog al moderno procesador Cortex M4. Tecnologías como Bluetooth LE y ZigBee han revolucionado aún más la industria de sistemas integrados. No obstante, siempre necesitarás un sistema de circuitos de alimentación bien diseñado. Sin él, todos estos componentes geniales de tecnología son solamente “piezas”, partes que tendrán un olor terrible cuando comiencen a saltar chispas, fusionar y quemar.

Dejando a un lado los condensadores, tenemos el regulador de tensión, que se encuentra en el corazón de todos los circuitos de alimentación bien diseñados. Como su nombre lo indica, ofrece una fuente estable de tensión que permite el sistema integrado funcione de forma estable. Los reguladores de tensión funcionan recibiendo una entrada de alta tensión antes de disminuir y estabilizar la tensión al nivel requerido para que funcione el dispositivo electrónico.

Antes de que se popularizaran los componentes de 3,3 V, estábamos limitados a microcontroladores (MCU) y circuitos integrados (IC) alimentados a 5 V. El LM7805 era un número de pieza muy popular por aquel entonces, ya que se trataba de un sencillo regulador de tensión lineal de 5V. De hecho, su simplicidad es bastante elegante, por lo que sigue siendo una opción popular hoy en día. Cuando los 3,3 V se convirtieron en la tensión de funcionamiento generalizada, el LM1117-33 sirvió como regulador de tensión lineal bastante eficiente.

Las Limitaciones de los Reguladores de Tensión Lineal

Hubo un periodo en el que los circuitos integrados pasaron a adaptarse a 3,3 V, y durante este tiempo los microcontroladores experimentaron una fase de rápida evolución. Antes, los diseñadores se centraban en el número de entradas/salidas de un microcontrolador. Luego se interesaron más por el número de funciones integradas, como UARTS, Ethernet, USB, y el rápido aumento de la potencia de procesamiento. Con el tiempo, el regulador de tensión lineal llegó a su límite.

_{Estos prácticos disipadores térmicos enfrían los reguladores de tensión lineales.} 

Mucha gente cometió un error de novato al tratar con el regulador de tensión lineal y aceptó el valor nominal de corriente como absoluto. Esto fue un gran problema porque el regulador de tensión LM7805 está especificado como 5V, 1.5A. Pero eso no significa que el regulador lineal pueda manejar esta tensión sin desgastarse en el mejor de los casos, o quemarse en el proceso. Hay que tener en cuenta al menos tres parámetros más antes de seleccionar un regulador de tensión lineal.   El regulador de tensión conmutado es la mejor opción para el circuito de gestión de la alimentación. 

El nivel de potencia disipada se calcula teniendo en cuenta la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida; luego se multiplica esta cifra por la corriente de carga. Si estás regulando de 12 V a 5 V y tu sistema integrado consume 100 mA, la potencia disipada será de 0,7 W. Teniendo esto en cuenta, debemos señalar que el regulador lineal LM7805 puede funcionar a temperaturas de hasta 125°C. Más allá de este punto, empezarás a ver eventos indeseables como derretimiento y quemaduras.

Pero un LM7805 típico en un encapsulado TO-220 tiene una resistencia a la temperatura de 65°C/W. Esto significa que por cada 1W, se producirá un aumento de 65°C además de la temperatura ambiente del entorno. En algunas regiones, las temperaturas medias rondan los 35°C, por lo que el LM7805 estaría funcionando a 100°C, ligeramente por debajo de su temperatura máxima permitida, y aún así tendría menos del 10% de la corriente máxima nominal de 1,5A.

Por qué cambiar el regulador de tensión es la mejor opción

Las características del regulador de tensión lineal lo convertían en un candidato poco idóneo para sistemas de alimentación con grandes requisitos de potencia, ya que el calor generado podía dañar el regulador o deteriorar la vida útil de los componentes cercanos. Esto aumentó el interés por el regulador de tensión de conmutación. Como su nombre indica, el regulador de conmutación conecta y desconecta la fuente de alimentación a un ritmo muy rápido para modificar la tensión de salida, proporcionando una fuente de alimentación estable y eficiente. El regulador de tensión de conmutación puede disipar el calor con bastante eficacia, reduciendo las temperaturas y minimizando el riesgo de una literal fusión.

_{Los reguladores de tensión de conmutación se centran en la eficiencia.}
 

Una pieza que he utilizado es la LM2576, un popular regulador de tensión de conmutación que funciona con una eficiencia del 75% cuando regula a 3,3V. Esto produce una fracción del calor que podría ver de un regulador de tensión lineal comparable, por lo que es ideal para aplicaciones que necesitan para regular de un alto voltaje a uno bajo. También es adecuada para sistemas integrados en los que se trabaja habitualmente a alta capacidad.

Reguladores de Tensión Conmutados vs. Reguladores de Tensión Lineales

Con toda la eficiencia que proporciona un regulador de tensión de conmutación, hay dos criterios que siguen impidiendo que sea la elección por defecto. El coste del regulador de tensión de conmutación y los componentes pasivos obligatorios. Estos pueden ser significativos, y hasta 30 veces superiores a los costes que tendrías con un regulador de tensión lineal y un par de condensadores.

Además, el regulador de tensión de conmutación requiere más componentes pasivos. Cuando se tiene un mayor número de componentes pasivos, el mantenimiento se vuelve mucho más complejo. Debes asegurarte de seleccionar cuidadosamente el valor de tus inductores y condensadores, y esto también se traduce automáticamente en una demanda de más espacio en la placa de circuito impreso.

En resumen, si estás trabajando en una aplicación sencilla que no consume mucha energía, el regulador de tensión lineal es la opción lógica. Pero si estás trabajando en un proyecto de alta potencia o intentas bajar de una tensión industrial de 24VDC a un sistema de 3,3V, entonces es posible que desees considerar el uso de un regulador de voltaje de conmutación para tus necesidades de alimentación y tensión de salida.

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