Separando un nuevo regulador de conmutación de Analog Devices, el LT8361

Este artículo analizará Analog Devices LT8361, un regulador de conmutación de bajo coeficiente intelectual que soporta topologías de refuerzo, SEPIC y de inversión.

El LT8361 es un regulador de conmutación con un rango de voltaje de entrada de 2.8 V a 60 V. Según la hoja de datos de LT8361, es el más adecuado para las siguientes aplicaciones:

• Industrial y automotriz
• Telecomunicaciones
• Equipo de diagnóstico médico
• Electrónica portátil

En la configuración del "Modo Ráfaga", el dispositivo puede funcionar con una corriente de reposo de 9 $$ mu A $$. Incorpora un interruptor de alimentación incorporado resistente que admite valores de voltaje y corriente de salida de 100 V y 2 A, respectivamente.

El LT8361 se basa en un solo pin de retroalimentación para salidas tanto positivas como negativas y utiliza la modulación de frecuencia de espectro expandido (SSFM) para lograr un mayor rendimiento de EMI.

En las siguientes secciones, repasaremos partes de la hoja de datos y analizaremos las características y mecanismos más destacados del dispositivo.

Diagrama de bloques

El diagrama de bloques del LT8361 se muestra en la Figura 1 a continuación.

Figura 1. Imagen cortesía de Analog Devices. Click para agrandar.

Operación básica del convertidor Boost

Primero repasemos la idea básica detrás de un convertidor boost reemplazando el LT8361 con un interruptor representado por M1 como se muestra en la Figura 2 a continuación.

Tenga en cuenta que este modelo no incluye el mecanismo de retroalimentación necesario para controlar el tiempo de encendido del interruptor. Los comentarios serán discutidos en la siguiente sección.

Figura 2. El esquema de un conversor basico basico.

El objetivo de un convertidor elevador es desarrollar y mantener un voltaje de salida fijo, $$ V_ {OUT} $$, que es mayor que el voltaje de entrada, $$ V_ {IN} $$.

Los voltajes de salida se pueden controlar abriendo y cerrando intermitentemente el interruptor implementado por el transistor M1 en la Figura 2. Tenga en cuenta que el diodo, D, evita que el condensador de carga $$ C_ {OUT} $$ se descargue a través de M1. Así que los circuitos del convertidor solo cargarán este condensador.

Primero, se enciende M1 y la corriente fluye a través del inductor desde la entrada $$ V_ {IN} $$ al suelo. Este acto almacena algo de energía en el inductor en forma de un campo magnético. A continuación, abrimos el interruptor. Sabemos que la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente; La energía en el campo magnético crea una tensión que carga el condensador. El valor del voltaje de salida está determinado por la corriente que se fuerza a fluir a través del inductor.

¿Cómo podemos controlar el valor de la corriente del inductor? Esto se puede hacer controlando el tiempo de encendido del interruptor. Si mantenemos el interruptor encendido durante mucho tiempo, una corriente muy grande fluirá a través del inductor (los inductores actúan como un cortocircuito cuando se les aplica un voltaje de CC durante mucho tiempo). Por lo tanto, podemos controlar el tiempo de encendido del interruptor para controlar la corriente del inductor y, en consecuencia, la tensión de salida.

Tenga en cuenta que dado que el condensador se puede descargar por la carga que se conectará a la salida, tendremos que encender el interruptor periódicamente y cargar el capacitor. Por lo tanto, necesitaremos un circuito de retroalimentación que detecte periódicamente el voltaje de salida y genere una señal modulada en ancho de pulso (PWM) para controlar adecuadamente el tiempo de encendido del interruptor. De esta manera, podemos asegurarnos de que el voltaje del capacitor se mantendrá fijo.

Ahora que tenemos una comprensión básica de un convertidor boost, echemos un vistazo a las otras partes del diagrama de bloques en la Figura 1.

Retroalimentación manteniendo la salida en regulación

Como se mencionó anteriormente, se requiere un circuito de retroalimentación para detectar el voltaje de salida y controlar el tiempo de encendido del interruptor en consecuencia. Los bloques principales de la ruta de realimentación del LT8361 se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Los bloques importantes en la ruta de retroalimentación del LT8361. Click para agrandar.

Como se muestra en esta figura, la salida $$ V_ {OUT} $$ se aplica a un divisor de voltaje creado por R1 y R2. Por lo tanto, la tensión en el pin FBX es

$$ V_ {FBX} = frac {R2} {R1 + R2} veces V_ {OUT} $$

Ecuación 1

Este voltaje se aplica a dos amplificadores de error indicados por A1 y A2 en la figura. Hay un bloque de "ERROR AMP SELECT" que pone A1 o A2 en la ruta de retroalimentación. Los amplificadores de error comparan la tensión en el pin FBX con una tensión de referencia interna (1.60 V o -0.8 V dependiendo de qué amplificador de error se elija).

Por ahora, suponga que A1 se coloca en la ruta de retroalimentación. Por lo tanto, $$ V_ {FBX} $$ dada por la Ecuación 1 se comparará con 1.60 V. Como puede haber adivinado, el voltaje de referencia interno es, de hecho, nuestro punto de ajuste o valor deseado para el $$ V_ {FBX} $ PS Cuando $$ V_ {FBX} $$ se hace más grande (más pequeño) que 1.60 V, A1 disminuye (aumenta) el voltaje del pin $$ V_C $$.

Hay otro comparador denotado por "PWM COMPARATOR", A5, en la Figura 3. Esto compara $$ V_C $$ con la salida del comparador A4 (ignoramos "SLOPE" por simplicidad). La salida de A4 es un voltaje proporcional a la corriente que fluye a través del interruptor (o de manera equivalente proporcional a la corriente que fluye a través del inductor cuando el interruptor está encendido). Tenga en cuenta que la entrada de A4 es el voltaje en la resistencia $$ R_ {SENSE} $$ que está en serie con el interruptor. Por lo tanto, A5 compara una tensión proporcional a la corriente del inductor con $$ V_C $$. Cuando la corriente del inductor supera un cierto nivel, el "COMPARADOR PWM" se dispara y apaga el interruptor de encendido.

Si usamos el amplificador de error A2, el punto de ajuste para el voltaje del pin FBX será de -0.8 V y el convertidor estará en su configuración de inversión.

Tenga en cuenta la red de resistencia-condensador en serie conectada al pin $$ V_C $$. Esta red realiza compensación por el bucle de retroalimentación. Afecta la estabilidad y la respuesta transitoria del sistema. Tenemos que verificar la estabilidad del sistema para diferentes condiciones de operación, tales como diferentes corrientes de carga y voltajes de entrada, en todo el rango de temperatura de interés.

Consulte la hoja de datos del dispositivo para obtener detalles sobre cómo elegir los valores apropiados para la red de compensación.

Frecuencia de conmutación

El LT8361 usa un oscilador para determinar la frecuencia de la señal PWM. La frecuencia del oscilador, representada en el centro del diagrama de bloques de la Figura 3 anterior, se puede programar conectando resistencias de diferentes valores al pin RT.

La frecuencia del oscilador oscila entre 300 kHz y 2 MHz dependiendo del valor de la resistencia RT. La hoja de datos proporciona la ecuación para encontrar el valor de resistencia requerido para una frecuencia dada de oscilación.

Regulador interno

El LT8361 incorpora un regulador lineal de baja caída para proporcionar un suministro regulado de 3.2 V para las cargas internas del chip. El regulador lineal y su conexión con los otros bloques se pueden observar más fácilmente en la Figura 4.

Figura 4. Click para agrandar.

Las altas corrientes transitorias trazadas por el controlador de compuerta MOSFET de potencia son suministradas por el regulador interno de 3.2 V. Para este fin, tendremos que pasar por alto el pin INTVCC con un capacitor de ESR bajo de 1 – $$ mu F $$ a tierra. Además, tenga en cuenta que el regulador de 3.2 V puede extraer su energía de la entrada $$ V_ {IN} $$ o del pin BIAS. Consulte la hoja de datos para más detalles.

Protección contra fallas

El LT8361 tiene varios mecanismos de protección contra fallas. Por ejemplo, cuando la corriente del inductor va más allá de cierto nivel, el amplificador A7 establece la señal de "OVERCURRENT" en la Figura 3. Esto enciende el transistor M2 y el pin SS se descarga. Esto, a su vez, bajará el pin $$ V_C $$ a través del transistor Q1. Teniendo en cuenta nuestra discusión sobre el bucle de realimentación LT8361, sabemos que al bajar $$ V_C $$ evitará que el interruptor de alimentación M1 se encienda (porque una pequeña corriente a través del inductor generará un voltaje positivo en la salida de A4 y forzará la “COMPARADOR PWM” a disparo).

Hay otros mecanismos de protección contra fallas incluidos en el LT8361. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, una condición de subtensión en el pin $$ INTV_ {CC} $$ y un bloqueo térmico donde la temperatura de la unión supera los 170 $$ ^ { circ} C $$ puede establecer la señal UVLO. Esto encenderá el transistor M2 y, en última instancia, evitará que el interruptor de alimentación se encienda de forma similar a la condición de sobrecorriente del inductor.

Modos de funcionamiento de ráfaga

Cuando el LT8361 está conectado a una carga liviana, se requiere un número menor de pulsos de corriente para mantener la salida en regulación. En tales casos, podemos usar el dispositivo en su modo de operación Ráfaga donde la frecuencia de los pulsos de corriente disminuye y cada pulso de corriente es seguido por un período de suspensión. En los períodos de reposo, el dispositivo solo dibuja 9 $$ mu A $$. Es por eso que el LT8361 puede ofrecer una mayor eficiencia de carga liviana. La figura 5 muestra la frecuencia de ráfaga frente a la corriente de carga.

Figura 5. Imagen cortesía de Analog Devices.

Como se muestra en esta figura, para corrientes de carga por debajo de aproximadamente 40 mA, reducir la corriente de carga conduce a una disminución en la frecuencia de conmutación. A medida que la frecuencia de conmutación disminuye, el dispositivo experimentará períodos de sueño más largos.

Rendimiento EMI

El LT8361 utiliza la modulación de frecuencia de espectro expandido (SSFM) para lograr un mayor rendimiento de EMI. Por favor, consulte la hoja de datos para más información.

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En este artículo, analizamos algunas de las características más importantes del LT8361 de Analog Devices. Si tiene experiencia con este regulador de conmutación u otras partes similares, háganoslo saber en los comentarios a continuación.