Qué considerar con respecto a la frecuencia de conmutación

Las fuentes de alimentación conmutadas cambian con una frecuencia fija, ajustable o sincronizada con un reloj externo. El valor de la frecuencia de conmutación determina el tamaño físico y, en consecuencia, el costo de los condensadores e inductores de una fuente. Existe una tendencia hacia frecuencias de conmutación más altas para permitir el diseño de circuitos compactos y de bajo costo. Los osciladores incorporados en los circuitos integrados de reguladores de conmutación generalmente se especifican para rangos de frecuencia muy amplios en sus hojas de datos. Por ejemplo, el IC convertidor reductor ADP2386 monolítico tiene una garantía de ± 10% de la frecuencia de conmutación establecida. Otros circuitos integrados de reguladores de conmutación comunes se especifican para ± 20% o incluso más. Un ADP2386 configurado con un RT a una frecuencia de conmutación de 600 kHz puede cambiar a 540 kHz y a 660 kHz en casos extremos, dada la variación del componente de ± 10% en la frecuencia de conmutación del ADP2386. Figura 1. Un convertidor reductor ADP2386 con su frecuencia de conmutación configurada con la resistencia RT. Esta posible variación de la frecuencia de conmutación del 20% en total debe tenerse en cuenta al diseñar un circuito porque las corrientes pico a través del inductor difieren dependiendo de la frecuencia de conmutación real. Como consecuencia, la ondulación de la corriente del inductor tiene un efecto directo sobre la ondulación de la tensión de salida. La figura 2 muestra el efecto de la frecuencia de conmutación en la ondulación de la corriente del inductor. La frecuencia de conmutación nominal de 600 kHz se muestra en azul. La frecuencia de conmutación mínima (540 kHz) se muestra en violeta y la máxima (660 kHz) en verde. En un ajuste nominal de 600 kHz, vemos una ondulación de corriente de pico a pico de 1.27 A cuando el regulador cambia a 540 kHz. Sin embargo, con el mismo ajuste de frecuencia de 600 kHz, un regulador de conmutación también puede cambiar a 660 kHz, lo que corresponde a una ondulación de corriente de 1.05 A. En este ejemplo, puede resultar una diferencia de ondulación de corriente de bobina de 220 mA debido a la variación en frecuencia de conmutación de un componente a otro en un circuito. Esto es sobre todo el rango de temperatura permitido. Figura 2. Ondulación de la corriente de la bobina de pico a pico influenciada por la variación de la frecuencia de conmutación. El ajuste del límite de corriente de un regulador de conmutación debe coordinarse con este efecto. Las corrientes máximas deben ser lo suficientemente bajas para garantizar que ninguna protección de sobrecorriente existente se active durante el funcionamiento normal. Tenga en cuenta que todas las demás variaciones que también podrían ocurrir, como las variaciones en los valores del inductor y del condensador, no se tuvieron en cuenta en este ejemplo. Para la ondulación del voltaje de salida, el cambio correspondiente en la ondulación de la corriente produce los valores que se muestran en la Figura 3. El circuito está diseñado de manera que se produce una ondulación de la tensión de 4.41 mV a una frecuencia de conmutación de 600 kHz. Para una frecuencia de conmutación de 540 kHz, la fluctuación de voltaje es de 5.45 mV; a 660 kHz, se puede ver una ondulación de voltaje de 3.66 mV. Figura 3. Cambios en la ondulación del voltaje de salida debido a la variación de la frecuencia de conmutación en un regulador de modo de conmutación IC. Para los propósitos de este ejemplo, la única variación de componente considerada es la de la frecuencia de conmutación en el rango de temperatura permisible. En la práctica, existen muchas otras variables, como variaciones en los valores reales del inductor y los condensadores. Estos también se ven afectados por la temperatura de funcionamiento. Sin embargo, también se puede suponer que, en la mayoría de los casos, la variación real en la frecuencia de conmutación no alcanzará los valores límite de ± 10%. Normalmente, el comportamiento aparecerá alrededor del valor típico en el medio del rango especificado. Para una consideración sistemática de todas las variables dinámicas en una fuente de alimentación, un análisis de Monte Carlo proporciona respuestas. Aquí, las variaciones de diferentes componentes y parámetros variables se ponderan de acuerdo con sus probabilidades de ocurrencia y se vinculan entre sí. Los análisis de Monte Carlo se pueden realizar con el software de simulación LTspice® disponible gratuitamente de Analog Devices. Para obtener más información sobre cómo variar los parámetros en una simulación de LTspice, consulte el artículo “Análisis de circuito en el peor de los casos con ejecuciones de simulación mínimas” de Gabino Alonso y Joseph Spencer.

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