Reguladores de conmutación y convertidores DC-DC

En los reguladores de conmutación, el elemento regulador es un transistor que está constantemente conmutando entre corte y saturación. En estas regiones de operación, el transistor disipa muy poca potencia (típicamente menos de 1mW en corte y menos de 1W en saturación).

Debido a este modo de operación, los reguladores de conmutación son bastante eficientes (a menudo alcanzan el 80% de eficiencia), especialmente cuando las diferencias entre la entrada y la salida son altas.

Además, los reguladores de conmutación pueden generar tensiones de salida mayores que la entrada no regulada y tensiones de salida de polaridad opuesta a la entrada.

Otra ventaja que tienen las fuentes de alimentación conmutadas (switchers) es que se pueden conectar directamente a la tensión de la línea rectificada y filtrada, sin que sea necesario un transformador de potencia de alterna, dando lugar a las fuentes conmutadas conectadas a la línea (line–powered switching supplies). El resultado es una fuente de continua pequeña, ligera y además funcionan a menor temperatura debido a su mayor eficiencia. Por estas razones, las fuentes conmutadas se utilizan casi universalmente en computadores y en instrumentos portátiles.

Los principales problemas que tienen las fuentes conmutadas son el ruido de conmutación presente en la salida y el costo. En los reguladores de conmutación (figura 11.11), un transistor que funciona como conmutador aplica periódicamente toda la tensión no regulada a una auto inducción durante intervalos cortos.

La corriente de la auto inducción crece durante cada pulso, almacenando una energía ( 1/2 LI 2 ) que se transfiere a un filtro capacitivo a la salida. Igual que en los reguladores lineales, se compara la salida con una tensión de referencia, pero en los reguladores de conmutación la salida se controla cambiando la anchura de pulso del oscilador en vez de controlando linealmente la tensión de base.

El corazón del regulador de conmutación es un oscilador PWM (modulación por anchura de pulsos) en donde la anchura de pulso es controlada por tensión. La salida del PWM conmuta un transistor entre corte y saturación, con un ciclo útil (duty cycle) que se controla con la diferencia entre la tensión de realimentación V FB y V REF . Básicamente, si V FB >V REF , el ciclo útil del PWM disminuye hasta que V FB =V REF ; por el contrario, si V FB <V REF , el ciclo útil del PWM aumenta. Por tanto, el voltaje de salida es proporcional al ciclo útil del PWM.

Frecuencias típicas para el PWM están en el rango de 1kHz a 200kHz. Debido a las altas frecuencias que se utilizan, los componentes del filtro pueden ser relativamente pequeños y aún así consiguen una excelente
reducción del rizado. La mayoría de los reguladores de conmutación modernos emplean FETs VMOS y DMOS de potencia como elemento de conmutación para conseguir una mayor velocidad de operación.

Tipos de configuraciones básicas para los reguladores de conmutación:

Hay dos configuraciones básicas para los reguladores de conmutación

1) Step–down o «bucking» (tensión de salida menor que la entrada).

Un ejemplo típico es el MAX638 de Maxim que permite obtener una tensión de salida fija de +5V o una tensión positiva ajustable mediante un divisor de tensión externo. Tiene oscilador que funciona a la frecuencia (constante) de 65kHz y el amplificador de error controla; de acuerdo con la tensión de salida, la aplicación o no de la salida del oscilador al MOS de control. Con este circuito se consigue un 85% de eficiencia, independiente de la tensión de entrada.

2) Step–up o «boosting» (tensión de salida mayor que la entrada); reguladores de inversión.

La única ventaja de los reguladores step–down respecto a los lineales es su alta eficiencia. Sin embargo, los reguladores step–up sí que ofrecen una ventaja adicional cuando se necesita una tensión de salida mayor que la entrada no regulada. Los reguladores de conmutación de baja potencia pueden generar las tensiones de alimentación de ±15V de una amplificador operacional a partir de la batería de +12V de un coche, lo que resultaría imposible con reguladores lineales. Ejemplos típicos es el regulador step–up MAX633 y el inversor MAX637 de Maxim.

Hay otro tipo de convertidores DC-DC que se denominan convertidores de tensión «flying capacitor» o «charge–pump». La idea en que se basan es usar conmutadores MOS para cargar un condensador a partir de la entrada de continua; después cambiar los conmutadores para conectar el condensador ahora cargado en serie con otro (step–up) o con polaridad cambiada a la salida (inversor).

La ventaja de los convertidores de tensión flying–capacitor es que no utilizan auto inducciones; pero tienen como inconvenientes su baja potencia, pobre regulación y tensión limitada. Un ejemplo de convertidor de tensión flying–capacitor es el MAX680 (figura 11.12) de Maxim; está se genera una salida doble de ±10V y hasta 10mA a partir de +5V de entrada. El LT1026 es un convertidos similar pero utiliza condensadores de 1μF y la resistencia de salida es de 100Ω.