Casi todos los dispositivos electrónicos actuales dependen de una batería como fuente de energía. El convertidor DC-DC juega un papel importante en el mantenimiento del tiempo de funcionamiento de la batería. Un convertidor reductor-elevador CC-CC es la opción ideal para obtener la gama de baterías más eficiente y confiable.
El convertidor reductor-elevador proporciona el voltaje regulado en la gama de baterías de litio (iones de litio) (una opción de batería común para dispositivos cotidianos como los teléfonos inteligentes). Estos convertidores son adecuados cuando el voltaje de salida es mayor o menor que el voltaje de entrada.
Para este proyecto, utilizaremos un circuito integrado (IC) reductor-elevador 595-TPS63051RMWR. Este IC proporciona una salida de 3,3 V/1 A para una gama completa de baterías de iones de litio.
Diseño básico
Principio de funcionamiento
El IC de modo conmutado funciona según el principio de un mecanismo de conmutación o fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS). El IC de modo de conmutación consta de un oscilador y un circuito de conmutación. El oscilador trabaja para generar la frecuencia deseada y el circuito de conmutación incluye un transistor o diodo como elemento de conmutación.
Cuando se enciende el circuito, el IC se enciende y apaga.
- Durante el período de ENCENDIDO, el elemento de almacenamiento de energía se carga, proporcionando voltaje regulado en la salida.
- Durante el período de APAGADO, el almacenamiento de energía y el elemento de filtrado de salida mantienen el voltaje de salida.
Piezas requeridas
Diseño de circuito
Se requieren los siguientes componentes para diseñar el circuito convertidor Buck-Boost junto con un IC Buck-Boost.
1. Elemento de almacenamiento de energía: el inductor
Todo regulador de conmutación necesita un elemento de almacenamiento de energía para funcionar y un inductor es una buena opción. Un inductor almacena energía en forma de campo magnético. Sin embargo, antes de elegir el inductor, es importante calcular la corriente nominal para evitar una salida no regulada o la saturación del circuito.
Es necesario calcular la corriente máxima del inductor durante la operación del circuito usando la siguiente ecuación (Ec. 1).
Ipico = (Isalida / η(1-D)) + (Vin D/2fL)……Ec. 1
Dado que utilizamos un IC fijo de 3,3 V, no hay necesidad de preocuparse por el valor del inductor. Normalmente, para los circuitos integrados de modo de conmutación fija, el valor del inductor requerido ya se encuentra en su hoja de datos. Pero es importante tener en cuenta que podemos cambiar el valor del inductor y calcular su corriente nominal usando la ecuación anterior.
2. Condensador del elemento filtrante
Los condensadores filtran y eliminan los picos de tensión en la fuente de alimentación. En un convertidor conmutado, el condensador realiza dos funciones:
- Proporciona filtrado
- Sirve como fuente de energía para gestionar la respuesta transitoria de salida.
Como la ficha técnica de este IC de modo de conmutación tiene un valor predefinido para los condensadores de ENTRADA y SALIDA, podemos usarlos directamente en nuestro circuito.
3. Divisor de resistencia de red de retroalimentación
La red de retroalimentación ayuda a regular el voltaje de salida. Esta red es un divisor de resistencia. Algunos circuitos integrados de modo de conmutación fija incorporan esta red de retroalimentación internamente.
Esto completa el requisito del circuito básico del IC de modo de conmutación. Ahora, analicemos las características adicionales del IC TPS63051RMWR.
Características del circuito integrado:
- Límite de corriente de entrada ajustable
- Modo PFM/PWM
- arranque suave
- Buen poder
- Proteccion al sobrevoltaje
- Apagado térmico
- Protección contra cortocircuitos de salida
- Bloqueo por subtensión
Descripción del pin:
1. EN (Habilitar) – ALTO (nivel de voltaje para configurar alto 1.2V-5.5) IC habilitado, BAJO (voltaje máximo para configurar BAJO 0.3V) IC deshabilitado
ILIM1 e ILM0 : define el límite de corriente de entrada
2. PFM/PWM y eficiencia
- Selección de modo PFM – Bajo/0
- Selección de modo PWM – Alto/1
Eficiencia en ambos modos:
- Modo PWM: buena eficiencia para 350 mA y más
- Modo PFM: buena eficiencia para cargas más ligeras
Para cambiar entre estos dos modos, simplemente seleccione el modo PFM/PWM.
3. SS (arranque suave) – Arranque suave ajustable. El circuito establece el tiempo de inicio suave predeterminado cuando este pin flota. El período predeterminado en modo Buck – 280us y en modo Boost – 600us.
4. PG (buena potencia) : este es un pin de salida que se utiliza para detectar la regulación de energía del sistema. El pin PG solo está configurado en ALTO cuando la salida está presente y requiere una resistencia pull-up que se conecta a un voltaje inferior a 5,5 V.
Límite de corriente de salida del convertidor
- Para un voltaje de entrada, Vin = Modo reductor de 2,5-3,3 V
- Para un voltaje de entrada, Vin = 3,3-5,5 V Modo Boost
NOTA: En el “modo Boost”, la corriente de salida máxima es de 500 mA y en el “modo Buck” es de 1 A.
El valor de la corriente de salida depende de la corriente de entrada. Si limitamos la corriente de entrada (ver tabla anterior), la salida también será limitada.
La ecuación para la corriente de salida en modo Buck y Boost es:
- Aumentar la corriente de salida, I out = η.I IN (1-D)
- Corriente de salida reductora, I out = η.I IN /D
Puntos clave
Diseñamos el circuito según la aplicación. Sin embargo, inicialmente nuestro circuito no funcionó como se esperaba. Proporcionó voltaje cero en los terminales de salida.
Posibles Causas:
- Un problema de soldadura
- Componentes defectuosos
- Un diseño de circuito defectuoso
- Un problema de PCB, como cortocircuito o continuidad
Después de evaluar estas posibles causas, descubrimos un problema en el diseño del circuito.
Revisión y rectificación
El diseño del circuito tiene tres líneas de señal: PFM/PWM, ILIM1 e ILIM0. Las líneas de señal suministran un voltaje determinado al dispositivo para encenderlo o apagarlo o para seleccionar un modo configurado en el dispositivo. Estas líneas transportan una corriente baja (uA), generalmente conocida como corriente de base o de reposo.
En nuestro diseño inicial, conectamos los pines de señal directamente a VCC, lo que permite una corriente alta a través de estos pines. Para un funcionamiento óptimo, debemos agregar una resistencia pull-up para limitar la corriente, lo que resuelve el problema.
Observación práctica
- Límite actual – IIN_max. Pines VILM1 y VILM0 ALTO (en Vin)
- Modo de impulso Iout (máx.) – 500 mA
- Límite actual: I IN_max . Pines VILM1 y VILM0 HIGH (en V in )
- Modo reductor UE apagado (máx.) –1A
Rendimiento del circuito integrado
Eficiencia del modo Boost: 85 % para carga <200 mA
– 70% para carga >200mA
Eficiencia del modo reductor: 96 % para carga <200 mA
– 75% para carga >200mA
Modo de impulso 
Modo dólar 
Gestión térmica
Cada componente disipa calor cuando aumenta la corriente extraída de él. A veces el calor generado es tan alto que el componente falla, por lo que necesitamos el disipador para disipar el calor extra.
Solicitud
- Dispositivos portables
- Alimentación CC regulada
- Para usar con una sola batería de iones de litio o dos celdas de bobina de 1,5 V
Precauciones
Se debe conectar un condensador entre el pin IN y tierra para regular el voltaje de entrada de CC. El condensador del circuito debe tener un voltaje nominal más alto que el voltaje de suministro de entrada. De lo contrario, el condensador perderá corriente de sus placas (y potencialmente explotará) debido al exceso de voltaje.
Algunos otros puntos importantes:
- Es esencial asegurar Todo el condensador se descarga antes de trabajar con una fuente de alimentación de CC.
- La corriente nominal del inductor debe ser 1,15 veces mayor que la corriente de salida. NO utilice un voltaje de entrada superior al rango de voltaje de entrada operativo.
- Evite cortocircuitar los terminales de salida; esto invertirá el flujo de corriente en el IC, provocando que falle o falle.
- Evite cortocircuitar los terminales de entrada; esto generará una gran corriente en el circuito y los componentes del circuito fallarán.
- No tire directamente hacia abajo o hacia arriba de los pines de señal (pines PWM/PFM e ILIM1/ILM0), ya que esto permitirá que fluya alta corriente a través del pin de señal. Conecte siempre una resistencia de 10k a los pines de señal para limitar la corriente de reposo.
Directrices de diseño de PCB
- Mantenga los golpes de potencia gruesos y cortos
- Coloque el condensador de entrada y salida lo más cerca posible de los pines de entrada y salida del IC
- Minimizar la longitud de la trayectoria del inductor
- Mantenga los nodos de tensión y de conmutación alejados entre sí.
Disposición de la placa de circuito impreso
