Regulación de la fuente de alimentación

Los convertidores de voltaje CC-CC se utilizan a menudo para proporcionar un suministro de voltaje regulado desde una fuente de voltaje no regulada. Las fuentes de voltaje no reguladas pueden ser voltajes de línea rectificados que exhiben fluctuaciones debido a cambios en la magnitud. Los suministros de voltaje regulado proporcionan un voltaje de salida de CC promedio a un nivel deseado (3.3 V, 2.5 V, etc.), a pesar de las fuentes de voltaje de entrada fluctuantes y las cargas de salida variables. Los factores a considerar al decidir sobre una solución de suministro de voltaje regulado incluyen:

• Voltajes de entrada de fuente disponibles
• Magnitudes de voltaje de salida de alimentación deseadas
• Capacidad para bajar o aumentar los voltajes de salida, o ambos
• Eficiencia del convertidor CC-CC (P_OUT / P_IN)
• Ondulación de voltaje de salida
• Respuesta transitoria de carga de salida
• Complejidad de la solución (una solución de CI, número de componentes pasivos, controlador y FEL externos)
• Frecuencia de conmutación (para reguladores de modo de conmutación)

Las siguientes secciones describen varios reguladores de voltaje diferentes.

Reguladores lineales

Los reguladores de voltaje lineal se usan comúnmente para aplicaciones reductoras (el voltaje de alimentación de salida es más bajo que el voltaje de la fuente de entrada). Los reguladores lineales también están disponibles con un voltaje de salida fijo o un voltaje de salida variable cuando se utilizan resistencias de polarización externas.

La ventaja de los reguladores lineales es la implementación simple y las piezas mínimas (solo el CI en el caso de la salida fija) y la ondulación de baja salida. La principal desventaja de los reguladores lineales es la baja eficiencia. La potencia significativa se disipa dentro del CI del regulador lineal, ya que el convertidor está constantemente encendido y conduciendo corriente. Los reguladores lineales deben usarse cuando la diferencia entre el voltaje de la fuente de entrada y el voltaje de la fuente de salida es mínima, y la eficiencia del convertidor no es una preocupación.

Reguladores de conmutación

Los reguladores de voltaje de conmutación se utilizan comúnmente tanto para aplicaciones de paso hacia arriba como hacia abajo, y difieren de los reguladores lineales por medio de la implementación de modulación de ancho de pulso (PWM). Los reguladores de conmutación controlan el voltaje de salida mediante el uso de un interruptor de corriente (interno o externo al regulador IC) con una frecuencia constante y un ciclo de trabajo variable. Las frecuencias de conmutación son generalmente de unos pocos kHz a unos pocos cientos de kHz. La relación ciclo de trabajo del interruptor determina cuánto y qué tan rápido aumenta o disminuye el voltaje de alimentación de salida, dependiendo del estado de carga y el voltaje de la fuente de entrada. Algunos reguladores de conmutación utilizan tanto la frecuencia de conmutación variable como el ciclo de trabajo, pero estos no se usan comúnmente para aplicaciones FPGA / CPLD.

La clara ventaja de los reguladores de conmutación es la eficiencia, ya que la potencia mínima se disipa en la ruta de alimentación (interruptores FET) cuando el voltaje de alimentación de salida es suficiente para el estado de carga. Esencialmente, el convertidor de potencia "se apaga" cuando no se necesita energía, debido al ciclo de trabajo mínimo del interruptor. La desventaja de los reguladores de conmutación es la complejidad, ya que se requieren varios componentes pasivos externos a bordo. En el caso de aplicaciones de alta corriente, se requieren CIRCUITOs FET externos, ya que el convertidor IC actúa solo como lógica de control para el conmutador FET externo. La ondulación del voltaje de salida es otra desventaja, que generalmente se maneja con capacitancia de derivación cerca del suministro y en la carga.

Convertidor Buck

Los convertidores de voltaje Buck, o reducción, producen un voltaje de salida promedio más bajo que el voltaje de la fuente de entrada. La Figura 1 muestra una topología básica de buck utilizando componentes ideales. El inductor sirve como fuente de corriente para la impedancia de carga de salida. Cuando el interruptor FET está encendido, la corriente del inductor aumenta, induciendo una caída de voltaje positiva a través del inductor y un voltaje de alimentación de salida más bajo en referencia al voltaje de la fuente de entrada. Cuando el interruptor FET está apagado, la corriente del inductor se descarga, induciendo una caída de voltaje negativa a través del inductor. Debido a que un puerto del inductor está vinculado a tierra, el otro puerto tendrá un nivel de voltaje más alto, que es el voltaje de alimentación de salida objetivo. La capacitancia de salida actúa como un filtro de paso bajo, reduciendo la ondulación del voltaje de salida como resultado de la corriente fluctuante a través del inductor. El diodo proporciona una ruta de corriente para el inductor cuando el interruptor FET está apagado.

Convertidor Buck síncrono

El convertidor buck síncrono es esencialmente el mismo que el convertidor buck step-down con la sustitución del diodo por otro interruptor FET. El interruptor FET superior se comporta de la misma manera que el convertidor buck al cargar la corriente del inductor. Cuando el control del interruptor está apagado, el interruptor FET inferior se enciende para proporcionar una ruta de corriente para el inductor al descargar. Aunque requiere más componentes y secuenciación lógica de conmutación adicional, esta topología mejora la eficiencia con un tiempo de encendido del conmutador más rápido y una menor resistencia de la serie FET (rdson) en comparación con el diodo.

Convertidor Boost

Los convertidores Boost, o step-up, producen un voltaje de salida promedio más alto que el voltaje de la fuente de entrada. La Figura 3 muestra una variación de la topología buck, con el diodo, el interruptor FET y el inductor intercambiados. Cuando el interruptor FET está encendido, el diodo tiene polarización inversa, por lo que aísla la carga del voltaje de la fuente de entrada y carga la corriente del inductor. Cuando el interruptor FET está apagado, la carga de salida recibe energía del inductor y del voltaje de alimentación de entrada. La corriente del inductor comienza a descargarse, induciendo una caída de voltaje negativa a través del inductor. Debido a que un puerto del inductor es impulsado por el voltaje de alimentación de entrada, el otro puerto tendrá un nivel de voltaje más alto, por lo tanto, la función de aumento o aumento. Al igual que con el convertidor buck, el condensador actúa como un filtro de paso bajo, reduciendo la ondulación del voltaje de salida como resultado de la corriente fluctuante a través del inductor.

Convertidor Buck-Boost

Los convertidores Buck-boost pueden producir un voltaje de alimentación de salida negativo a partir de un voltaje de fuente de entrada positivo (es decir, negativo en referencia al puerto común / tierra del voltaje de la fuente de entrada). Similar a un convertidor buck, la topología anterior ha intercambiado el diodo y el inductor. Cuando el interruptor FET está encendido, el diodo está polarizado hacia atrás, cargando la corriente del inductor debido a la caída de voltaje positiva a través del inductor. Cuando el interruptor FET está apagado, el inductor proporciona energía a la carga de salida a través del nodo común / tierra, descargando la corriente, lo que induce una caída de voltaje negativa a través del inductor. Debido a que un puerto inductor está vinculado a común / tierra, el otro puerto está en un nivel de voltaje más bajo en comparación con común / tierra, de ahí los niveles de voltaje de alimentación de salida negativos a través de la carga de salida.