¿Cómo funcionan los convertidores DC-DC?

Se utiliza una fuente de alimentación de CC en casi todos los dispositivos que requieren un voltaje regulado. Un convertidor de CC implementa el proceso de conversión de CC.

Hay dos tipos de convertidores de CC:

1. Convertidor reductor: reduce el voltaje de la fuente de entrada
2. Convertidor Boost: aumenta el voltaje de la fuente de entrada

Topología de conversión

1. Regulador lineal: solo se puede utilizar como convertidor Buck.
2. Regulador de modo de conmutación: se puede utilizar como convertidor reductor y elevador.

(Nota: para obtener más información sobre cómo funcionan los reguladores lineales y de conmutación, consulte nuestra serie anterior de fuentes de alimentación conmutadas y reguladores lineales).

En este experimento, diseñaremos un convertidor reductor de modo conmutado y verificaremos prácticamente la curva de rendimiento del IC.

Especificación

1. Reduzca 12 V CC a 3,3 V CC
2. Corriente de salida 2A.

Diagrama de bloques

Componentes necesarios

Diagrama de circuito

Principio de funcionamiento

AP3512E es un IC de modo de conmutación de convertidor reductor fijo de 3,3 V. El rango de voltaje de entrada de este IC es de 4,5 V a 18 V. La salida continua actual es 2A.

Descripción del pin principal

ES- Es un pin digital que enciende y apaga el IC. Conduzca EN alto a ON y bajo a OFF. Para el inicio automático lo saqué con una resistencia de 100k.

SS: el pin de arranque suave se utiliza para controlar la gran corriente de entrada y los sobreimpulsos de salida cuando el circuito está encendido. El SS suele estar presente en los convertidores de CC a CC para que se inicien sin problemas. La conexión de un condensador de 0,1 uF a tierra establece el período SS en 15 ms.

FB: el pin de retroalimentación se usa para configurar el voltaje de salida usando la red divisoria de resistencia. Cuando el voltaje del pin FB supera los 1,1 V, se activa la protección contra sobretensión y cuando es inferior a 0,3 V, se realiza la protección contra cortocircuitos.

La referencia de voltaje de este pin de retroalimentación es normalmente 0.925V, la combinación del voltaje de referencia y la red divisoria de resistencia decidirá el voltaje de salida.

Características

1. Proteccion al sobrevoltaje
2. Protección contra la sobretensión
3. Apagado térmico

Construcción de circuitos

Configuración del voltaje de salida
El voltaje de salida se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Vsalida = 0,925(1+R1/R3)
Vout = 3.3V (ya que es un regulador fijo de 3.3V)
Consideremos R3 = 10k
Ahora, poniendo los valores en la ecuación anterior, obtenemos
R1 = 26,1k aprox.

Selección de inductores

El diagrama de cableado consta de un inductor, un condensador y una resistencia junto con el CI regulador Buck. Según la hoja de datos del regulador para una entrada de 12 V y una salida de 3,3 V, un inductor de 4,7 uH es más adecuado. La corriente nominal del inductor debe ser entre 1,15 y 1,25 veces mayor que la corriente de salida requerida.

La corriente de salida máxima que puede proporcionar el IC es – 2A
Clasificación mínima de corriente del inductor: 1,15 * 2 = 2,3 A

Arranque suave y filtrado.

El condensador en la entrada y salida ayuda a filtrar la fuente de entrada y un condensador de 0,1 uF define el período SS. Un condensador de retroalimentación C6 ayuda a estabilizar el voltaje de salida con cargas elevadas.

(Nota: para tener una idea detallada sobre el funcionamiento de un convertidor elevador, consulte nuestra serie anterior sobre SMPS).

Cómo funciona el circuito

El regulador en el circuito de cableado consta de componentes externos, que son un inductor, una resistencia y un condensador. Internamente consta de un transistor, que actúa como interruptor.

Se utiliza un inductor para almacenar energía en forma de campo magnético. Entonces, aquí el inductor actúa como elemento de almacenamiento de energía. Cuando el circuito se alimenta con una fuente de entrada de 12 V, el regulador comienza a encenderse y apagarse con una frecuencia de 500 kHz.

Durante el período ON, el inductor se carga y proporciona un voltaje regulado en la salida. Durante el período APAGADO, el inductor y el capacitor de salida mantienen la salida regulada, liberando la energía almacenada que almacenan en el estado ENCENDIDO. La red divisoria de resistencias fija el voltaje de salida en 3,3V.

Gestión térmica

El regulador de conmutación es conocido por su alta eficiencia y baja disipación de energía, pero como sabemos, esta naturaleza no es ideal.

Expedición y rectificación

Entonces, probamos un capacitor cerámico en paralelo con el pin de retroalimentación y el terminal de salida como se ve en el esquema (condensador C6). Esto funciona bien en nuestro proyecto y el voltaje de salida se estabiliza. Este condensador se conoce como condensador de alimentación directa y agrega compensación de derivación al circuito de retroalimentación y aumenta la estabilidad del circuito.

Observación práctica
Vin = 12V, Sistema de refrigeración = Sin disipador ni ventilador

**Podemos analizar que a alta corriente el voltaje de salida comienza a aumentar. Esto se debe a los efectos de calentamiento del regulador a alta corriente.

Según su hoja de datos, el voltaje de referencia aumenta al aumentar la temperatura. Esto aumentará aún más su voltaje de salida. Para hacer esto, utilizamos el ventilador de refrigeración para mantener la temperatura del regulador y vimos el rendimiento del regulador a alta corriente. A continuación se muestran sus lecturas.

Vin = 12 V, Sistema de refrigeración = 12 V CC Ventilador

Resultados prácticamente observados vs. curva de hoja de datos

Rendimiento del circuito integrado

1. Regulación de carga: regulada a 3,3 V incluso con carga elevada.
2. Eficiencia promedio del 88 % para corriente > 200 mA

Solicitud

1. En circuitos digitales que requieren 3,3 V como microcontroladores.
2. Dispositivos portátiles
3. Alimentación CC regulada
4. Se utiliza como interfaz entre la batería y el componente en CPU o portátiles donde las demandas de voltaje son inferiores al voltaje de la batería.

Gestión térmica
El problema de la calefacción es un problema importante en un sistema de suministro de energía. Para disipar el calor extra de cualquier circuito, se pueden utilizar varios métodos, como disipador de calor, ventilador o refrigerador termoeléctrico. Para saber si nuestro circuito necesita alguna gestión térmica o no, consulta nuestro artículo Gestión térmica de la fuente de alimentación.

Precauciones

1. Se debe conectar un condensador entre el pin IN y tierra para mantener regulado el voltaje de entrada de CC.
2. El condensador utilizado en el circuito debe tener una tensión nominal más alta que la tensión de alimentación de entrada. De lo contrario, el condensador comenzará a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotará.
3. Para la estabilidad del circuito, se debe conectar un condensador cerámico en paralelo con la resistencia de retroalimentación.
4. Asegúrese de que todos los condensadores estén descargados antes de trabajar con una fuente de alimentación de CC.
5. La corriente nominal del inductor debe ser 1,15 veces mayor que la corriente de salida.
6. No suministre un voltaje más alto en el terminal de entrada del IC que su rango de voltaje de entrada operativo.
7. No cortocircuite los terminales de salida; Esto invertirá el flujo de corriente en el IC y el IC fallará.
8. Además, no cortocircuite los terminales de entrada; Esto generará una gran corriente en el circuito y los componentes del circuito fallarán.
9. Efecto de frecuencia

La alta frecuencia aumenta las pérdidas de conmutación, lo que disminuye la eficiencia de SMPS. Pero la alta frecuencia de conmutación reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria de la salida.

Directrices de diseño de PCB

1. Mantenga los golpes de energía gruesos y cortos.
2. Coloque el condensador de entrada y salida tan cerca como el pin de entrada y salida del IC.
3. Minimizar la longitud de la trayectoria del inductor.
4. Mantenga los nodos de tensión y de conmutación alejados entre sí.
5. Mantenga todos los componentes tan cerca como el IC e intente reducir el tamaño de la PCB

Diseño de PCB