El entrelazado lleva a la PFC a nuevas cotas

Transcripción

1 El entrelazado lleva a la PFC a nuevas cotas El arte de diseñar de fuentes de alimentación, como la mayoría de los esfuerzos que merecen la pena, constituye un reto continuo de equilibrio entre varios objetivos con el fin de alcanzar unos resultados óptimos. En el caso de los diseños de fuentes de alimentación conmutadas (Switched Mode Power Supply, SMPS), los objetivos normalmente incluyen el coste total del sistema, las limitaciones de factor de forma, las especificaciones globales de eficiencia, los problemas térmicos y la presión relacionada con el tiempo de lanzamiento al mercado. De vez en cuando, surge una nueva idea que da un giro radical al entorno de la alimentación. Las exigencias globales de reducir los costes generales de los sistemas y definir perfiles más finos han desembocado en la corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) entrelazada, el último gran avance del sector. El concepto de PFC entrelazada fue discutido ya en 1992 por Miwa, Otten y Schlecht[1]. En 2007, se hizo realidad el control de PFC entrelazada de un solo chip y, actualmente, está cambiando radicalmente el aspecto de muchos equipos de la noche a la mañana siendo el caso más destacado el de la TV digital. En este artículo se afronta la necesidad de la PFC y los últimos avances en el concepto del diseño. Podría resultar especialmente útil para los ingenieros que deben enfrentarse a especificaciones de diseño problemáticas con un presupuesto limitado, así como para aquéllos que simplemente estén interesados en saber más sobre esta nueva tendencia. PFC típica Un circuito de PFC típico es un regulador de conmutación elevador con circuitería de control. Mantiene la corriente de entrada proporcional al voltaje instantáneo de línea, regulando al mismo tiempo el voltaje de salida (figura 1). El bucle de realimentación que regula la corriente tiene un ancho de banda de aproximadamente 10 khz. Regula perfectamente la corriente de entrada media proporcional al voltaje de entrada de modo que el factor de potencia es muy alto, y se minimizan los armónicos. El bucle de regulación de voltaje tiene un ancho de banda muy inferior a 60 Hz, por lo que no interfiere con el bucle de corriente. A menudo, se añaden elementos de realimentación no lineales al bucle de voltaje para mejorar la respuesta a grandes cambios de entrada y salida. Para corrientes con grandes cargas, los reguladores de conmutación elevadores mantienen una corriente de inducción continua, normalmente con un rizado de corriente del 60 por ciento. La corriente con bajo rizado puede constituir una ventaja, ya que se atenúa más fácilmente con el filtro EMI de entrada. Para corrientes de menor carga, el rizado de corriente puede incrementarse hasta el 200 por cien. La corriente de entrada puede ser incluso discontinua, siempre que el bucle de corriente controle la corriente de entrada media.

2 Otra forma práctica de producir corriente de entrada proporcional al voltaje de entrada es utilizar un convertidor de modo de transición con tiempo de activación regulado, que permanezca constante a lo largo del ciclo de la línea. El modo de transición, o modo de conducción crítica, significa que el convertidor inicia un nuevo ciclo de conmutación cada vez que la corriente de entrada desciende a cero. En otras palabras, ésta es la frontera entre el modo de conducción continua y discontinua. Por definición, el modo de transición tiene una corriente de rizado del 200 por cien. Con un regulador de conmutación elevador de modo de transición con un tiempo de activación fijo, la entrada de corriente media es inherentemente proporcional al voltaje de entrada. Para cualquier ciclo de conmutación, la corriente pico es Ipico=Vent*Tact/L y la corriente valle es cero. Por tanto, la corriente de entrada media es la mitad de la corriente pico: Imedia=Vent*Tact/(2*L). Siempre que la inductancia y el tiempo de activación permanezcan constantes, la corriente de entrada media será directamente proporcional al voltaje de entrada. El modo de transición con tiempo de activación fijo tiene muchas ventajas, como p.ej. que no se requiere realimentación de corriente. Por lo tanto, se pierde mucha menos energía en detectar corriente. Además, el convertidor es inmune a errores en el circuito de detección de corriente. Otra ventaja es que el convertidor siempre inicia un nuevo ciclo de conmutación con corriente de salida cero, minimizando las pérdidas de conmutación de los diodos. Los convertidores de modo de transición pueden funcionar de forma eficiente con diodos de silicio baratos, siempre que éstos tengan una velocidad de conmutación moderadamente rápida. En comparación, los circuitos de corriente continua requieren a menudo diodos de carburo de silicio caros para lograr un nivel elevado de eficiencia. En la Figura 2 se muestra el esquema de un corrector de factor de potencia con tiempo de activación fijo construido en torno a un circuito integrado económico de control, en modo de transición y con 8 pines. Este circuito utiliza una resistencia de detección de corriente para detectar fallos de corriente cero y de sobrecorriente pero, por lo demás, no se basa en la detección de corriente de precisión. Con este circuito integrado, la corriente se limita a menos de 425 mv a través de la resistencia de detección de corriente. En comparación, los circuitos de control de factor de potencia típicos que utilizan realimentación de corriente tienen señales de límite de corriente máxima de entre 1 y 2 V, lo que incrementa en gran medida la energía perdida en la resistencia de detección de corriente. Por qué se utiliza el entrelazado? Todas las fuentes de conmutación conducen cierta parte de energía de conmutación a la línea de alimentación a través del rizado de corriente. El rizado de corriente puede ser mayor, como ocurre con una PFC de modo de transición con un rizado del 200 por cien, o menor, como en el caso de una PFC de modo de corriente continua con un rizado del 60 por cien. Aunque esto representa una mejora de 10 db, se produce a expensas de una inductancia elevadora más grande. Independientemente del enfoque, se requiere alguna forma de filtro EMI. Si construimos dos circuitos de PFC idénticos y los hacemos funcionar con un desfase de 180º cada uno, la corriente combinada del rizado de dos etapas sería significativamente inferior al rizado de una sola etapa produciendo la misma potencia total.

3 Por tanto, podría utilizarse un filtro EMI de entrada mucho más pequeño. El funcionamiento de dos etapas con un ciclo de trabajo de exactamente el 50 por ciento reduce el rizado a cero! Con diferentes ciclos de trabajo, la reducción del rizado es menor, aunque sigue siendo significativa. La utilización de dos etapas idénticas con un desfase de 180º se denomina entrelazado, y resulta muy práctico hoy en día gracias a los modernos circuitos altamente integrados. En la Figura 3 se muestra la corriente de rizado reducido lograda entrelazando dos etapas de potencia para diferentes ciclos de trabajo. Una ventaja del entrelazado es la reducida corriente de rizado de salida. Ello permite utilizar un condensador de salida más pequeño, o menos esfuerzo de corriente en la selección del condensador original, lo que tiene como resultado una vida útil más larga y una mayor fiabilidad. Otra ventaja es que pueden utilizarse dos componentes más pequeños en lugar de uno grande. Esto incluye la inductancia o bobina elevadora, el MOSFET de potencia y el diodo de potencia. Estos componentes más pequeños permiten un diseño de placa distribuida, que disipa el calor de los distintos dispositivos de alimentación y permite utilizar sistemas de alimentación con un perfil más reducido. Asimismo, el entrelazado permite una alimentación mayor a la que sería típica y práctica con la arquitectura monofásica. Dos etapas de PFC monofásicas existentes de 250 vatios pueden entrelazarse fácilmente, desarrollando rápidamente una PFC con una potencia de 500 vatios a partir de los mismos componentes. PFC típica en modo de corriente continua entrelazada En la Figura 4 se muestra una PCF de modo de corriente continua entrelazada completa construida en torno al UCC28070, un circuito integrado de controlador de PFC entrelazada. Este controlador de frecuencia fija incluye toda la circuitería de control necesaria para dos etapas de PFC entrelazadas, así como oscilación de frecuencia. Este diseño de PFC utiliza los transformadores de detección de corriente T1 y T2 para monitorizar la corriente de drenaje del MOSFET de potencia. Esto produce una señal que representa la corriente cuando el MOSFET de potencia está activado. La corriente del inductor o bobina durante el ciclo de conmutación restante es reconstruida por el circuito integrado, basándose en el voltaje de entrada y de salida. Esta tecnología de síntesis de corriente utiliza únicamente dos transformadores de corriente en lugar de cuatro para reconstruir la corriente del inductor, reduciendo el coste global del sistema. El circuito integrado regula la corriente en cada inductor con dos bucles de realimentación de corriente media independientes y rápidos. El bucle de realimentación de voltaje lento general es compartido por dos bucles de corriente. De este modo, los dos bucles de corriente tienen la misma referencia de corriente y garantizan el equilibrio de corriente entre dos canales. Esta PFC funciona con una frecuencia de conmutación establecida por RRT. Si fuera necesaria una fuente de alimentación muy densa, este diseño puede funcionar a velocidades de conmutación de hasta 300 khz o más, lo que permite utilizar bobinas o inductores muy pequeños. No obstante, para alcanzar la máxima eficiencia, es recomendable utilizar una conmutación de menos de 75 khz. Tambén se aplica el dithering o variación de frecuencia para reducir más el ruido EMI, siendo está programada por el condensador CCDR y la resistencia RRDM. El ciclo máximo de trabajo se establece mediante RDMAX. El arranque suave se programa mediante CSS. Este diseño funciona en modo continuo o discontinuo, dependiendo de la corriente de carga. Por tanto, es recomendable utilizar diodos de carburo de silicio de alta velocidad para D1 y D2.

4 Seleccione el condensador de salida, COUT, para permitir el funcionamiento del convertidor descendente durante la caída de línea esperada de mayor duración. Aunque no se muestra, normalmente se requiere filtrado EMI de entrada. PFC típica en modo de transición entrelazada En la Figura 5 se muestra una típica PFC en modo de transición entrelazada completa construida en torno al UCC28060, el primer circuito integrado de controlador con PFC entrelazada del sector. Este diseño aprovecha la ventaja de la modulación de frecuencia inherente al control de modo de transición. De este modo, se amplía el espectro de EMI y se reduce el filtrado EMI necesario. El UCC28060 aplica asimismo gestión de fases, una potente técnica para mejorar la eficiencia total conmutando entre el funcionamiento bifásico con cargas elevadas y el monofásico con cargas ligeras. La ventaja del UCC28060 es que permite utilizar diodos de bajo coste e inductores más pequeños. Cada una de las inductancias, L1 y L2, tiene un segundo bobinado para detectar corriente de inducción cero e iniciar un nuevo ciclo de conmutación. Las resistencias RZA y RZB combinadas con los condensadores CF4 y CF5 eliminan el ruido de la señal. También proporcionan un pequeño retardo de tiempo, lo que permite al drenaje del MOSFET bajar la resonancia a su nivel mínimo. Aunque no es perfecta, esta aproximación a la conmutación de voltaje cero puede mejorar la eficiencia reduciendo al mínimo la energía que se pierde al descargar la capacidad de drenador del MOSFET de potencia cuando éste se activa. Este convertidor utiliza control de tiempo de activación fijo para lograr un elevado factor de potencia, por lo que las corrientes individuales del MOSFET de potencia no se detectan. Se utiliza una resistencia de detección de corriente global, RS, para impedir la conmutación durante la entrada de la activación y para detener la conmutación en el improbable caso de sobrecorriente. Los convertidores de conmutación con una carga constante tienen impedancia de entrada negativa a bajas frecuencias. En otras palabras, cuando se incrementa el voltaje de entrada, la realimentación de voltaje reduce la corriente de entrada para mantener el voltaje de salida constante. Esto puede hacer que el filtro EMI se vuelva inestable. Para minimizar el riesgo de que esto ocurra, y para ayudar a reducir las EMI de entrada, utilice un condensador pequeño de alto voltaje CIN en la salida del rectificador del puente. Para un convertidor de 300 vatios, un condensador de 1mF podría ser suficiente. Este valor del condensador deberá ser lo más bajo posible para ahorrar costes y mantener un elevado factor de potencia en una línea alta. Dicho convertidor utiliza dos caminos independientes para detectar el voltaje de salida. Por un lado detecta el voltaje de salida utilizando la patilla VSENSE y los divisores RC y RD. Este circuito de detección se utiliza para regular el voltaje de salida y para desactivar el convertidor en el caso de sobretensión de salida. El segundo camino es usar la patilla HVSEN. Con los divisores RE y RF, se detecta sobretensión redundante a efectos de seguridad y detecta el voltaje de salida para activar la carga. La salida lógica PWMCNTL se muestra baja cuando el voltaje de salida es lo suficientemente alto para el funcionamiento. La PWMCNTL se desactiva (pasa a impedancia alta) cuando el voltaje de salida cae por debajo del umbral de caída o cuando una de las etapas de potencia presenta un fallo. Tratamiento de cargas elevadas Los convertidores se diseñan pensando en diversos atributos de rendimiento a carga completa, incluyendo la eficiencia pico, la temperatura de funcionamiento seguro, el funcionamiento fiable de los componentes y la capacidad de funcionamiento en caso de caída de la línea de alimentación. No obstante, el rendimiento durante el funcionamiento con cargas ligeras también es importante. Las normas como Blue Angel y Energy Plus establecen los estándares de eficiencia con carga completa y carga ligera.

5 En la Figura 6 se compara la eficiencia de una PFC entrelazada típica funcionando en modo monofásico y en modo bifásico. Aunque el entrelazado proporciona un excelente nivel de eficiencia y fiabilidad con carga completa, la eficiencia con carga ligera es más alta con la conmutación de una sola fase. Esto se debe a que la energía consumida al cambiar la dirección del condensador de drenador se hace más dominante con carga ligera.para ser práctica, una PFC entrelazada debería cambiar al modo monofásico cuando funciona con cargas ligeras. El punto de cruce óptimo está en función del voltaje de la línea y de otras variables de diseño. Para facilitar la conformidad con Blue Angel y otras normas similares, la conmutación a una sola fase antes del 20 por ciento de carga produce un beneficio máximo. Sin carga, las normas exigen un consumo de energía en reposo extraordinariamente bajo. Aunque la norma Energy Star actual no permite más de 0,5 vatios, las normas futuras exigirán menos de 0,3 vatios y se espera que se establezcan valores todavía más bajos. Para lograr este consumo ultrabajo de energía, la solución más práctica es desactivar totalmente la PFC elevadora y ejecutar la modulación de ancho de pulso (PWM) descendente desde la línea de alimentación no reforzada rectificada. La PFC de modo de transición entrelazada del UCC28060 (Figura 5) contiene circuitos para la gestión de fases que conmutan entre el modo bifásico, monofásico y apagado, en función de la carga. Minimización del ruido acústico Los condensadores, las bobinas, los disipadores y los blindajes pueden producir vibraciones acústicas debido a las señales procedentes del convertidor de conmutación. A pesar de que los convertidores de conmutación funcionan por encima de 20 khz, determinadas condiciones de la línea y de carga pueden provocar vibraciones acústicas. Un ejemplo es la transición de carga completa a carga ligera. Aunque el condensador de salida reduce el efecto del paso de carga en el convertidor, el convertidor aún ha de cambiar el tiempo de activación o el ciclo de trabajo en gran medida para regular el voltaje de salida, mientras que el bucle de regulación del voltaje debe ser lento para proporcionar un buen factor de potencia. En este ejemplo, es inevitable cierta sobretensión de salida. Si la sobretensión es demasiado elevada, el condensador de salida o el siguiente convertidor de potencia podrían dañarse. Por este motivo, los circuitos integrados de PFC, como el UCC28060, contienen amplificadores de errores con respuesta rápida, no lineal, a sobretensiones muy elevadas. Para algunos pasos de carga, esto vuelve a regular rápidamente la salida. Pero para los pasos más difíciles, ni siquiera estos bucles rápidos no lineales pueden responder con la suficiente rapidez, y la protección contra sobretensiones de salida salta, desactivando el convertidor. El convertidor volverá a ponerse en marcha cuando la salida caiga por debajo del umbral inferior de sobretensión. Esto puede requerir varios ciclos de baja frecuencia de sobretensión de salida alta seguidos por una caída de carga cero antes de que el bucle vuelva a regularse. Estos ciclos de baja frecuencia podrían producir ruido u otros efectos no deseados. Para evitar este problema, algunos circuitos integrados de PFC, como el UCC28061, se apagan y se vuelven a poner en marcha lentamente como respuesta a una sobretensión importante. El UCC28061 es muy similar al UCC28060, pero está optimizado para sistemas con un rango de carga muy amplio. Conclusión Ha llegado la era de la PFC entrelazada y, con ella, el preludio de nuevos avances para los diseñadores de fuentes de alimentación de todo el mundo. Ahora pueden obtenerse mayores eficiencias, con factores de forma más pequeños y con los mismos o menores costes globales del sistema. Se trata de una tendencia que va a dar mucho que hablar. Si desea ver las fichas técnicas, muestras gratuitas y/o los módulos de evaluación, visite Acerca de los autores Bob Neidorff es ingeniero de diseño de circuitos integrados y miembro de High Performance Analog en Texas Instruments. Durante más de 30 años, ha diseñado y gestionado el diseño de una gran variedad de circuitos de alimentación y analógicos. Thomas Lewis ocupa el cargo de Power Supply Control Product Manager en Texas Instruments. Es responsable de definir las hojas de ruta de los productos de control PFC, PWM y MOSFET para los consumidores. Antes de asumir su puesto actual, Robert residía en Moosburg, Alemania, y desempeñaba el cargo de Standard Linear & Logic Business Development Manager dentro de la fuerza de ventas europea. Autor: Bob Neidorff y Thomas Lewis, Texas Instruments