Selección de componentes para sistemas integrados de bajo consumo.

La selección de componentes es uno de los procesos más esenciales y críticos al diseñar cualquier sistema electrónico. La selección inadecuada de componentes puede provocar muchos problemas de diseño, distribución de PCB, presupuesto de energía, etc. En este artículo, analizaremos cómo seleccionar un componente para un diseño optimizado de bajo consumo de energía.

Resistor

La potencia disipada por una resistencia se encuentra en forma de calor. Cuando la corriente fluye a través de él, la resistencia se calienta. Las principales propiedades de selección de una resistencia son resistencia, potencia nominal, composición, coeficiente de temperatura, temperatura de funcionamiento, resistencia térmica, etc. Para nuestros propósitos aquí, discutiremos las propiedades que causan la disipación de potencia en las resistencias.

Potencia nominal: La potencia nominal es la potencia máxima que se puede disipar de la resistencia sin destruir el dispositivo. La tasa de conversión es el poder de disipación. Por ejemplo, si una resistencia tiene una potencia nominal de ¼ de vatio, entonces ¼ de vatio es la cantidad máxima de potencia que se debe alimentar a la resistencia.

Veamos otro ejemplo. Aquí tenemos una resistencia de 800Ω con un voltaje de 12 voltios que alimenta el circuito para encender un LED. La potencia que estaría suministrando el circuito es:
P= ^V2 /R

Donde V es el voltaje a través de la resistencia y R es su resistencia.
P = 12*12/800 = 0,18W

Por lo tanto, siempre debemos asegurarnos de que la potencia nominal de la resistencia cumpla con los requisitos del circuito.

Resistencia térmica (Rθ): El factor de proporcionalidad entre la disipación de energía y el exceso de temperatura y generalmente se expresa como
Rθ = dT/P

donde Rθ es la resistencia térmica, dT es el cambio de temperatura y P es la potencia disipada. Un valor más bajo de Rθ indica que la energía térmica se transferirá más libremente y ofrecerá un mejor rendimiento energético. Por lo tanto, el valor de Rθ debe ser bajo al seleccionar una resistencia.

Composición: Existen diferentes composiciones de resistencias, pero el plomo (4,55×10 ⁶ S/m) tiene una conductividad térmica menor que el cobre (5,96×10 ⁷ S/m) y no disipa el calor como el cobre. Por lo tanto, debemos elegir la resistencia con la composición del cable conductor. Las resistencias de plomo son más caras que las de cobre, lo que limita su uso.

Otras formas de minimizar la disipación de potencia en el contexto de una resistencia son las siguientes:

1. Al diseñar una PCB, las trazas de cobre pesadas o los planos de tierra (que actúan como disipadores de calor) reducen el aumento de temperatura de los cables y las uniones de soldadura. Por tanto, debemos proporcionar buenos planos de tierra y trazas de cobre pesadas para minimizar la disipación de calor.

Veamos un ejemplo de un divisor de voltaje que proporciona una salida de 9 V desde 12 V:

La ecuación para encontrar el voltaje de salida de un circuito divisor:
Vsalida = (R2/R1 + R2) * Vin

Donde Vout es el voltaje de salida, Vin es el voltaje de entrada y R1 y R2 son la resistencia de las resistencias R1 y R2.
Entrada = 12 V, R1 = 1 K, R2 = 3 K
Vsalida = (3K /( 1K + 3K)) * 12V
Salida = 9V

Ahora la corriente que circula por el circuito será:
Yo = Vin / (R1+ R2)
Yo = 12 /( 1K + 3K) = 3mA
P = IV = 3mA*12V=36mW

Si tomamos los valores de R1= 10K y R2= 30K entonces:
Vsalida = (30K / (10K + 30K))* 12V = 9V
Yo = 12 / (10K + 30K) = 0,3mA
P = IV = 0,3 mA*12 V = 3,6 mW

Al aumentar el valor de la resistencia en los circuitos divisores de voltaje, los circuitos de controladores LED pueden reducir el consumo de energía.

Condensador

La potencia disipada por un condensador resulta de su ESR, corriente de fuga, etc. Las principales propiedades de un condensador son capacitancia, ESR, tolerancia, tensión nominal, coeficiente de temperatura, temperatura de funcionamiento y corriente de fuga. Es importante tener en cuenta varios parámetros al seleccionar un condensador.

1. ESR (Resistencia Serie Equivalente): La ESR (también conocida como resistencia interna del capacitor) del capacitor es responsable de la energía disipada en forma de calor y es directamente proporcional al DF (Factor de Disipación).

VSG = XC * DF
XC = 1/ (2 * PI * f * C)

donde XC es la reactancia capacitiva, DF es el factor de disipación, C es la capacitancia y f es la frecuencia.

La ESR depende de la frecuencia, lo que la convierte en una cantidad "DINÁMICA". La ESR es causada por muchos factores, como pérdidas óhmicas en los cables y las placas mismas, así como pérdidas en el material dieléctrico utilizado entre las placas del capacitor.

Un valor alto de ESR degrada el rendimiento ya que el condensador tendrá menos capacidad de pasar corriente hacia y desde sus placas al circuito externo debido a la constante de tiempo RC de carga y descarga más larga. La ESR de un capacitor debe ser lo más baja posible para todos los diseños de circuitos electrónicos para que el funcionamiento del capacitor sea lo más cercano posible al ideal.

2. Corriente de fuga del condensador: el dieléctrico utilizado dentro del condensador para separar las placas conductoras no es un aislante perfecto. Cuando se aplica un voltaje de suministro constante a un capacitor, los potentes campos eléctricos generados por la carga en las placas dan como resultado una fuga de corriente mínima a través del dieléctrico. La cantidad de corriente de fuga varía según el tamaño del condensador. Normalmente, las tapas electrolíticas y de tantalio tienen una corriente de fuga alta, y los condensadores cerámicos y de película tienen una corriente de fuga baja.

Al seleccionar condensadores para un sistema integrado de baja potencia, es mejor elegir condensadores con baja corriente de fuga.

3. Voltaje nominal: El voltaje nominal es otra característica importante que define el voltaje continuo máximo, ya sea CC o CA, que se puede aplicar al capacitor sin fallas durante su vida útil. Cualquier voltaje por encima de su voltaje de trabajo puede causar fallas, lo cual está determinado por la tasa de fallas. Un condensador tendrá una vida útil más larga si se opera en un ambiente frío y dentro de su voltaje nominal. Utilice siempre un condensador con una tensión nominal igual o mayor que la tensión aplicada al circuito.

Inductor

La disipación de potencia en un inductor ocurre en los devanados y el núcleo, lo que se denomina pérdida del devanado y pérdida del núcleo. Las propiedades importantes de un inductor son el núcleo del material, la inductancia, la tolerancia, la clasificación de corriente, el blindaje, la resistencia de CC, Q, la frecuencia de resonancia propia, la temperatura de funcionamiento y la frecuencia de inductancia. A continuación se detallan parámetros importantes que debe tener en cuenta al seleccionar un inductor.

1. Factor Q, o Factor de Calidad: Se refiere a la relación entre la reactancia de la bobina y su resistencia. Este valor depende de la frecuencia (Q=2πf L/R). Dado que f es la frecuencia de la corriente que fluye a través de la bobina, el valor de Q variará según la frecuencia. Un valor Q más alto provocará menores pérdidas y una mejor idoneidad para su uso como inductor de alta frecuencia.
2. Frecuencia de autorresonancia (SRF): describe la frecuencia a la que un inductor deja de funcionar como inductor. La frecuencia de autorresonancia se puede expresar como:

FRS = 1/2 * PI * √LC

donde L es la inductancia y C es la capacitancia parásita.

Este valor debe ser superior a la frecuencia de aplicación. Sería mejor considerar que la frecuencia de autorresonancia debería ser suficientemente mayor que la frecuencia de uso.

3. Corriente de saturación: se refiere a la corriente CC, que hace que la inductancia caiga en un valor específico. Además, cuando un inductor ya no puede almacenar energía y, en cambio, experimenta una caída en el almacenamiento de energía y la inductancia, ha alcanzado el punto de saturación. La inductancia cae porque el núcleo sólo puede almacenar una cierta cantidad de densidad de flujo magnético. El material del núcleo y el aislamiento del cable pueden dañarse a altas temperaturas si la corriente es lo suficientemente alta durante el funcionamiento. En la mayoría de los casos, el funcionamiento de un inductor está limitado por el aumento de temperatura.
4. Resistencia CC (DCR): Durante el flujo de energía CC (frecuencia 0 Hertz), los inductores proporcionan resistencia al flujo de corriente. Esta resistencia se llama resistencia CC (DCR). DCR disipa el calor y reduce la eficiencia como cualquier otra resistencia. En inductores reales, el factor Q es confiable en DCR. El valor bajo de DCR es esencial para una menor disipación de energía. Es mejor utilizar el inductor en ciertas condiciones de temperatura ambiente para operarlo en la región del valor mínimo de DCR.
5. Núcleo del material: El núcleo debe ser lo suficientemente grande y con una permeabilidad lo suficientemente baja para evitar la saturación (o cambios en la inductancia por debajo del nivel mínimo requerido). Esta fórmula básica define la pérdida de potencia de un inductor:

Ploss = Pcore (pérdida del núcleo) + Pdcr (pérdida del cable debido a la resistencia de CC) + Pacr (pérdida del cable debido a la resistencia de CA).

Aquí hablaremos de la pérdida central.

La histéresis es una propiedad común de las sustancias ferromagnéticas. El efecto por el cual la magnetización de materiales ferromagnéticos va por detrás del campo magnético se denomina efecto de histéresis. El área del bucle de histéresis de arriba en la figura representa la pérdida de energía. La pérdida de potencia depende del número de veces por segundo que se cruza el bucle de histéresis. Por tanto, la pérdida por histéresis varía directamente con la frecuencia. La mayoría de los inductores de suministro de energía comerciales son ferritas separadas (Figura 7) , que generalmente no son materiales de bajas pérdidas y generalmente no funcionan bien en aplicaciones de alta frecuencia y baja potencia. Al diseñar inductores para bajas pérdidas, use materiales de baja permeabilidad para disminuir el campo B (el campo magnético B es un campo producido por cargas eléctricas en movimiento), elija materiales de núcleo de bajas pérdidas y considere usar alambre Litz (alambre multifilar).

MOSFET

La disipación de potencia en un MOSFET se divide principalmente en dos formas: disipación de potencia resistiva y disipación de potencia conmutada. La resistencia interna del MOSFET provoca una pérdida resistiva y la pérdida de conmutación es la pérdida de energía durante el encendido y apagado de los MOSFET. A continuación se detallan algunos de los parámetros importantes que debe tener en cuenta al seleccionar un MOSFET:

1. Voltaje máximo de drenaje a fuente (VDS): la clasificación VDS del voltaje de drenaje a fuente es importante al seleccionar MOSFET. Elija MOSFET con un VDS (voltaje de fuente de drenaje) suficientemente superior al voltaje al que se utilizarán, ya que un voltaje superior al VDS puede destruir un MOSFET. Pero con un valor alto de VDS, la RDS (resistencia al estado) resulta en una pérdida de conducción. Se deben observar ambos parámetros al seleccionar el MOSFET.
2. Fuente de drenaje en resistencia RDS (ON): RDS es el valor de resistencia entre el drenaje y la fuente de un MOSFET durante el funcionamiento (ON). El RDS de los MOSFET es bajo cuando funcionan en la región lineal. Para aplicaciones de conmutación, podemos reducir la resistencia en estado activado mediante el uso de MOSFET en la región VDS baja, reduciendo así la pérdida de energía. La cantidad de corriente que pueden manejar los MOSFET está limitada por el valor de VGS. Además, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el valor RDS(ON), por lo que es importante considerar también la temperatura.
3. Corriente máxima de drenaje de CC: esta es la corriente máxima que un dispositivo puede soportar indefinidamente con una refrigeración adecuada. Dependiendo del VDS, es posible que el dispositivo solo transporte una pequeña fracción de esta corriente antes de fallar. La única forma de estar seguro de que el dispositivo puede manejar la corriente deseada es consultar la curva del área de operación segura en la hoja de datos del dispositivo.
4. Consideraciones para VGS: Los MOSFET se encienden cuando VGS (voltaje de fuente de puerta) excede su voltaje umbral Vth. Elija un valor para VGS que sea mayor que Vth. Cuanto mayor sea el VGS, menor será el valor de RDS(ON). Por lo tanto, seleccionar el voltaje de puerta ideal es fundamental.
5. Velocidad de conmutación: Las pérdidas de conmutación están presentes a una frecuencia más alta. Para reducir estas pérdidas en potencia de alta frecuencia y alta velocidad, se deben utilizar MOSFET. En comparación con los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los tiristores, los MOSFET de potencia tienen velocidades de conmutación muy altas y una mejor eficiencia a bajos voltajes.

Convertidores CC/CC

Los diferentes tipos de convertidores CC/CC incluyen reductores, elevadores y flyback. Los convertidores reductores se utilizan para reducir los voltajes, mientras que los convertidores elevadores se utilizan para aumentar los voltajes. El convertidor flyback es un convertidor reductor-elevador que puede aumentar o disminuir el voltaje. Se deben considerar muchos factores para diseñar convertidores CC/CC, como eficiencia energética, respuesta transitoria, relación de voltaje de entrada-salida, eficiencia, aislamiento de entrada-salida, rango de voltaje de entrada, corriente máxima de salida, regulación de línea/carga CC y otros factores. . A continuación se detallan algunos de los parámetros que debe tener en cuenta al seleccionar un convertidor

1. Parámetro de rango de voltaje de entrada (VIN): el rango de voltaje de entrada es la potencia de entrada máxima y mínima permitida del convertidor. Si la potencia de entrada excede la entrada máxima permitida, el convertidor puede dañarse.
2. Parámetro de corriente de salida máxima (IOUT): este parámetro es la corriente de salida máxima que el convertidor puede proporcionar mientras cumple con los demás parámetros.
3. Parámetro de corriente de reposo (IQ): la corriente de reposo es la corriente utilizada para operar el convertidor y no se entrega a la carga. Se mide cuando el convertidor está habilitado y la corriente de salida/carga es cero. Una corriente de reposo baja maximiza la eficiencia de salida del convertidor, reduce el calor y extiende la vida útil de la batería en aplicaciones que funcionan con batería. Elija corriente IQ baja al seleccionar un convertidor CC/CC.
4. Parámetro de eficiencia: La eficiencia energética se define como el porcentaje de la potencia de entrada entregada a la salida. Se expresa como:

Eficiencia = 100 * (Isal * Vsal) / (Iin * Vin)

Un convertidor de conmutación ideal puede alcanzar una eficiencia del 100%. Las pérdidas en los convertidores incluyen pérdidas por conmutación y pérdidas por inductores. La disipación de energía debe minimizarse para maximizar la eficiencia.

5. Frecuencia de conmutación: Los circuitos convertidores CC/CC tienen sus frecuencias de conmutación únicas. Una frecuencia de conmutación más alta permite el uso de inductores y condensadores más pequeños y mejora el comportamiento de carga escalonada del convertidor. Una frecuencia de conmutación más alta también aumenta las pérdidas de conmutación al ampliar el rango de frecuencia de la radiación EMI.