Con el aumento del uso de la electrónica en las aplicaciones industriales, de transporte y médicas, los diseñadores de los subsistemas de energía de apoyo deben garantizar un alto rendimiento en entornos físicos y eléctricamente exigentes, y al mismo tiempo cumplir los estrictos requisitos normativos y de seguridad. Al mismo tiempo, deben mantenerse dentro de las cada vez más estrictas restricciones de presupuesto y calendario de diseño.
El convertidor de CC/CC ha evolucionado dramáticamente con el tiempo para cumplir muchos de estos requisitos. Han disminuido de tamaño para una mayor densidad de potencia, para ahorrar espacio y ofrecen amplios rangos de entrada para simplificar el inventario y reducir la lista de materiales (BOM). Otras mejoras para facilitar la tarea del diseñador incluyen salidas de bajo ruido, una regulación de carga más estricta, fuertes características de protección y seguridad, y una notable atención a la gestión térmica. Sin embargo, como los diseñadores podrían esperar, no todos los convertidores de CC/CC son iguales, lo que les obliga a ser discriminatorios en su selección para asegurar el éxito del diseño y la aplicación.
Este artículo presentará los convertidores de CC/CC de Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor y XP Power que son compactos, aseguran un bajo ruido de ondulación, y atienden a voltajes de salida únicos y dobles. También destacará y explicará las características y mejoras, y cómo pueden ayudar a los diseñadores a aumentar la capacidad de ajuste de la potencia, reducir el ruido, asegurar la autoprotección y proporcionar una mejor gestión térmica.
Cómo funcionan los convertidores de CC/CC
Como su nombre indica, un convertidor de CC/CC toma un voltaje como entrada de una fuente de CC y lo convierte en una salida que está a otro voltaje de CC. La salida puede ser más baja (convertidor reductor) o más alta (convertidor elevador) que el voltaje de entrada. Los convertidores de CC/CC están aislados o no aislados. Un convertidor aislado de CC/CC utiliza un transformador para eliminar el camino de CC entre la entrada y la salida (Figura 1).
Figura 1: Este convertidor de CC/CC está aislado, como lo indica el transformador entre las etapas de entrada y salida. (Fuente de la imagen: XP Power)
Por el contrario, los convertidores de CC/CC no aislados, a menudo utilizados cuando el cambio de voltaje es pequeño, tienen una ruta CC entre la entrada y la salida.
Consideraciones clave de rendimiento y diseño
Las principales características de rendimiento de los convertidores de CC/CC incluyen la eficiencia, la clasificación de la corriente, el voltaje de rizado, la regulación, la respuesta transitoria, la clasificación del voltaje, el tamaño y el peso. Para más información, ver «Introducción a los convertidores de CC/CC«. Los diseñadores también deben preocuparse por la capacidad de un convertidor para soportar una amplia gama de voltajes nominales de entrada. Esto permite que un convertidor sea compatible con muchas aplicaciones, reduciendo el inventario y la logística, y suponiendo que también sea capaz de proporcionar el voltaje de salida y la corriente necesarios para las cargas previstas.
Dependiendo de la aplicación y la naturaleza de la fuente de energía, la protección contra la sobretensión, la subtensión, la polaridad inversa, el cortocircuito y las condiciones de sobretemperatura también son cruciales. Asimismo, es necesario que se cumpla con la buena compatibilidad electromagnética (EMC) y la interferencia electromagnética (EMI). Esto es particularmente importante dado que las fuentes de alimentación conmutadas utilizadas en los convertidores de CC/CC pueden introducir ruido directamente en la carga y pueden emitir ruido de RF que puede afectar a la estabilidad y precisión de los circuitos cercanos.
Por último, los diseñadores deben examinar cuidadosamente las características térmicas del convertidor en el contexto del diseño y las condiciones de funcionamiento de la aplicación, de modo que se puedan aplicar una ventilación adecuada y otras técnicas de gestión térmica según sea necesario.
Más pequeño es mejor para los convertidores de CC/CC
Varias aplicaciones requieren convertidores de CC/CC en factores de forma compacta para ahorrar espacio y simplificar la instalación. Para tales aplicaciones, Bellnix diseñó la serie OHV de convertidores de CC/CC de voltaje medio-alto de 1.5 vatios específicamente para reducir el área de montaje requerida en casi un 60%, en comparación con los módulos disponibles en el momento del desarrollo. Un dispositivo de muestra es el OHV12-1.0K1500P, un sistema en paquete (SiP) que mide 44 x 16 x 30 milímetros (mm) y que emite 1000 voltios a 1.5 miliamperios (mA) (Figura 2). Bellnix también diseñó la serie para mantener el ruido de ondulación tan bajo como 5 milivoltios (mV) de pico a pico (P-P).
Figura 2: El convertidor ultracompacto OHV12-1.0K500P de Bellnix mide 44 x 16 x 30 mm y da 1000 voltios a 1.5 mA. (Fuente de la imagen: Bellnix)
La serie funciona con una entrada de 11 a 13 voltios a 0.28 amperios (A). A partir de esto puede emitir entre cero y +/- 1000 voltios (0 a 1.5 mA), 1500 voltios (0 a 1.0 mA) y 2000 voltios (0 a 0.7 mA), dependiendo del modelo.
El bajo ruido de ondulación de los dispositivos, de 5 mVP-P, es importante para aplicaciones como la instrumentación, en las que cualquier inestabilidad en la fuente de alimentación de alta tensión puede inducir ruido y afectar a la precisión del equipo. Bellnix ha desarrollado su propia tecnología de circuitos para mantener el ruido al mínimo, y aunque los dispositivos son autónomos -sin necesidad de componentes externos- los diseñadores pueden añadir componentes para reducir aún más el ruido y también reducir la impedancia de entrada (Figura 3).
Figura 3: Para reducir la impedancia de entrada debido a la longitud del cable entre el suministro y el convertidor, los diseñadores pueden añadir el condensador C1 en el lado del terminal. Para reducir aún más el ruido, se puede añadir C2 en toda la carga. (Fuente de la imagen: Bellnix)
Por ejemplo, para reducir la impedancia de entrada causada por la distancia prolongada entre el convertidor y la fuente de alimentación, se puede añadir el condensador C1 en la entrada. Este condensador debe colocarse en el lado terminal del convertidor para reducir la inductancia del plomo. Para reducir el ruido, se puede colocar cuidadosamente un condensador (C2) cerca de la carga, de manera que tenga un mínimo de cableado de entrada y salida, prestando especial atención a las distancias de fuga y espaciales.
Todos los dispositivos de la línea tienen incorporada una protección contra cortocircuitos y sobrecorrientes, y aumentan aún más la fiabilidad de la fuente de alimentación con una caja metálica de cinco lados que utiliza un blindaje adicional para proteger el dispositivo contra el calor y la temperatura excesivos. El voltaje de salida en la serie OHV puede controlarse de 0 V a 2000 V mediante un voltaje externo o una resistencia variable externa.
Para los diseñadores de dispositivos alimentados por baterías, la serie nHV de HVM Technology ofrece una potencia regulada con precisión de 100 miliwatts (mW) hasta 1 kilovoltio (kV) en un paquete de 11.4 mm x 8.9 mm, con una altura de 9.4 mm. Específicamente, la regulación de la carga es de: 0.2% (típico) de ninguna carga a carga completa.
La serie nHV toma una entrada de 5 voltios (4.5 voltios ± 0.5 voltios). Dependiendo del modelo, el voltaje de salida oscila entre -1200 voltios (NHV0512N) y 1200 voltios (NHV0512) a 83 microamperios (µA), a -100 voltios (NHV0501N) y 100 voltios (NHV0501) a 1 mA.
La serie emplea una entrada de programación de alta impedancia (100 kilohmios (kΩ)) para facilitar la instalación de los dispositivos y eliminar la necesidad de un voltaje de fuente de energía ajustable de baja impedancia. El voltaje de salida es independiente del voltaje de entrada y es en cambio proporcional al voltaje de programación para asegurar una robusta linealidad.
Rango amplio de entrada
Al igual que la serie nHV, los convertidores de CC/CCDTJ15 y DTJ20 de XP Power de 15 y 20 vatios también están miniaturizados para una fácil instalación y un funcionamiento de bajo consumo, pero con un giro: pueden instalarse en un chasis o en un carril DIN y conectarse mediante terminales de tornillo (Figura 4).
Figura 4: Los convertidores de CC/CC de las series DTJ15 y DTJ20 están optimizados para un tamaño pequeño, pueden ser fácilmente instalados usando un riel DIN, y tienen un amplio rango de voltaje de entrada. (Fuente de la imagen: XP Power)
Además de su fácil instalación, lo importante de estos convertidores de energía es su capacidad para cubrir un amplio rango de entrada de voltaje de CC, que va desde 9 voltios a 36 voltios, y 18 voltios a 75 voltios. Una variedad de fuentes de entrada, incluidos múltiples voltajes nominales de batería y suministros para vehículos, permiten que estos convertidores sirvan para una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales y de comunicaciones.
Juntos, los controladores CC/CC de las series DTJ15 y DTJ20 ofrecen un total de 14 variantes con dispositivos de una sola salida que proporcionan voltajes de 3.3 voltios, 5.0 voltios, 12.0 voltios y 15.0 voltios, y dispositivos de doble salida que proporcionan ±5.0 voltios, ±12.0 voltios y ±15.0 voltios, respectivamente (Figura 5).
Figura 5: Los convertidores de CC/CC de las series DTJ15 y DTJ20 destacan por su amplio rango de voltaje de entrada, así como por su rango de salida, este último dando un total de 14 variantes. La imagen muestra la salida del DTJ15, un convertidor de 15 vatios. (Fuente de la imagen: XP Power)
Una función de encendido y apagado remoto permite que los convertidores de CC/CC sean controlados por software, lo que ayuda a controlar el consumo general de energía, permitiendo que las instalaciones remotas funcionen eficientemente.
Otra característica importante de los convertidores de CC/CC de las series DTJ15 y DTJ20 es el arranque suave que rampla el voltaje de salida modulando la referencia del amplificador de error interno. Esto hace que el voltaje de salida se aproxime a una rampa lineal a destajo, que termina cuando el voltaje alcanza el voltaje de salida nominal. Otras características de protección que ofrecen los controladores de las series DTJ15 y DTJ20 son la protección contra cortocircuitos y la protección de la polaridad inversa de la entrada.
Cartera de características de protección
Los diseños de sistemas de energía para aplicaciones ferroviarias, industriales y de transporte exigen tiempos de ajuste rápidos para las cargas de paso transitorio. Otros eventos transitorios como las oscilaciones en el voltaje de entrada y salida hacen que las características de autoprotección sean críticas para la operación segura y confiable de los convertidores de CC/CC.
En la limitación de corriente, también conocida como limitación de potencia, tan pronto como la corriente de salida aumente hasta aproximadamente el 130% de su valor nominal, el convertidor de CC/CC pasará a un modo de limitación de corriente. Como resultado, el voltaje de salida comenzará a disminuir proporcionalmente para mantener algo de disipación de energía constante.
Si las condiciones ambientales hacen que la temperatura del convertidor de CC/CC se eleve por encima de su temperatura de funcionamiento diseñada, un sensor de temperatura de precisión apagará la unidad. Una vez que la temperatura interna disminuya por debajo del umbral del sensor de temperatura, el convertidor de CC/CC se pondrá en marcha automáticamente.
La serie IRE-Q12 de Murata de convertidores de CC/CC aislados presentan características de autoprotección para asegurar que no haya efectos adversos de cargas capacitivas más altas (Figura 6). Por ejemplo, el IRE-12/10-Q12PF-C incorpora todas las características de autoprotección relevantes y cumple los requisitos de la norma EN50155 para facilitar los voltajes nominales de las baterías durante las caídas de tensión y las condiciones transitorias.
Los convertidores de la serie IRE-Q12 proporcionan una única salida aislada de 120 vatios de un rango de voltaje de entrada de 9 voltios a 36 voltios en un paquete estándar de octavo módulo y huella. También ofrece dos opciones de placa base, una para un consumo mínimo de espacio en la placa, la otra una brida ranurada para la fijación mecánica a un disipador térmico.
La salida de estos convertidores de CC/CC puede ser recortada +/-10% para asegurar tiempos de asentamiento rápidos para cargas de paso transitorias. Además, todos los convertidores se prueban y se especifican para la corriente de rizado reflejada de entrada, la corriente de rizado terminal de entrada y el ruido de salida.
Modos de energía autónoma y de matriz
El DCM2322 de Vicor es una serie de convertidores de CC/CC aislados que funcionan con entradas CC no reguladas que van desde 9 voltios a 50 voltios para generar una salida aislada de 28 voltios (Figura 7). Se basa en la topología de doble abrazadera de conmutación de voltaje cero (DC-ZVS) de la compañía que le ayuda a ofrecer una alta eficiencia del 93% en todo el rango de voltaje de entrada.
Las unidades del módulo convertidor de CC/CC (DCM), como el DCM2322T50T3160T60, aprovechan los beneficios térmicos y de densidad de la tecnología de embalaje ChiP de Vicor que distribuye el calor generado internamente de manera uniforme a través de la superficie del paquete. La tecnología ChiP también permite a los convertidores DCM ofrecer opciones flexibles de gestión térmica con impedancias térmicas superiores e inferiores muy bajas.
La eficiente distribución térmica permite que las unidades DCM presenten conectividad desde una variedad de fuentes de energía no reguladas hasta el punto de carga. Proporcionan una protección contra fallos de sobretensión de entrada y de salida y otros mecanismos de manejo de fallos que apagan los convertidores cuando se detecta un fallo (Figura 8).
Figura 8: Los convertidores DCM facilitan las capacidades de manejo de monitoreo de fallas, así como las características de seguridad que incluyen la limitación de corriente y el control de arranque suave. (Fuente de la imagen: Vicor)
Estas características permiten a los convertidores DCM proporcionar un voltaje de salida regulado alrededor de una línea de carga nominal definida y de los coeficientes de temperatura. Si la temperatura interna del convertidor excede su límite, se registra un fallo de temperatura, y el tren de potencia deja de conmutar inmediatamente. El convertidor espera a que la temperatura interna vuelva al umbral dado y luego se reinicia.
Además, estos convertidores de CC/CC proporcionan un filtrado EMI integrado, una estrecha regulación del voltaje de salida y una interfaz de control de referencia secundaria, conservando los beneficios fundamentales de diseño de la arquitectura de ladrillo convencional.
En las aplicaciones que requieren más energía de la que puede entregar un solo convertidor de CC/CC, como los centros de datos y los equipos de telecomunicaciones, se pueden utilizar varios dispositivos en paralelo. Se pueden poner en paralelo varios convertidores DCM en el modo array para obtener una mayor capacidad de potencia mediante el reparto de la carga, incluso cuando funcionan con diferentes fuentes de tensión de entrada. Vicor tiene arreglos calificados de hasta ocho convertidores de CC/CC para una capacidad de 480 vatios.
Conclusión
Para los diseñadores de fuentes de alimentación para apoyar los sistemas electrónicos para aplicaciones industriales, médicas, de transporte e instrumentación, las complejidades y los costos asociados son muchos, desde la necesidad de amplios rangos de voltaje de entrada hasta la gestión térmica y la distribución de la carga. Sin embargo, como se muestra, los convertidores de CC/CC han evolucionado en fuentes de alimentación cada vez más pequeñas, fáciles de instalar y autónomas que eliminan muchas de esas complejidades.
Aún así, para los diseñadores que buscan un mejor rendimiento, se pueden añadir componentes adicionales. Además, cuando se requiere más flexibilidad, se dispone cada vez más de características remotas y programables para llevar a cabo la compensación de impedimentos y facilitar una variedad de características de protección para evitar quemaduras, responder a condiciones transitorias y reducir el consumo general de energía del sistema.
