DISEÑO DE UNA FUENTE CONMUTADA ELEVADORA CON LM78S40

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1 DISEÑO DE UNA FUENTE CONMUTADA ELEVADORA CON LM78S40 Como en el caso de los reguladores lineales, exisen en el mercado una gran variedad de disposiivos para la regulación por conmuación, en general conroles para modulación por ancho de pulso (PWM: Pulse-Widh Modulaion), esenciales en la regulación por conmuación. En ese diseño, se uilizará un subsisema LM78S40 de Naional Semiconducor, que incluye el conrol PWM juno con odos los adiamenos necesarios para monar un regulador de volaje por conmuación básico. ESPECIFICACIONES Se diseñará una fuene conmuada elevadora, uilizando un inegrado LM78S40. Ese diseño esá pensado para aplicaciones ales como la alimenación de una eapa grande de un sisema elecrónico o varias eapas pequeñas, en donde se cuena con un volaje DC de alimenación menor al requerido por las eapas. Las condiciones de enrada y salida al sisema son: Volaje de enrada DC: 5 V Volaje de salida DC: 12 V Volaje de rizado pico-pico de salida (máximo): 5 mv Corriene de salida máxima (plena carga): 100 ma Temperaura de operación: 30 C ANÁLISIS DE LA CONFIGURACIÓN ELEVADORA BÁSICA La opología básica de un regulador de volaje por conmuación es la que se muesra en la Figura 01:

2 Figura 01. Topología básica elevadora. Supóngase para el análisis siguiene, que la corriene inicial por el inducor L i L es cero. Al cerrarse el inerrupor S1 (conformado por un ransisor en operando en la región de core y sauración), el volaje en el puno A será el volaje de sauración V SAT del inerrupor. Adicionalmene, nóese que el diodo D1 esá polarizado inversamene; luego el volaje a ravés del inducor L será: Vl Di L * d L Vin Vsa Di Vin Vsa (1) D L Donde se ha despejado la razón de cambio del i L con respeco al iempo. i L seguirá creciendo a esa razón, que se supondrá consane, mienras S1 esé encendido. Luego la corriene máxima en el inducor i PK esará dada por: Vin Vsa Ipk * on (2) L

3 Donde on denoa el iempo que permanece encendido el inerrupor S1. Al abrirse el inerrupor, el inducor generará un volaje al que polarizará direcamene al diodo D1, y ese conducirá. El nuevo volaje en el puno A será: V Vou (3) A V D Denoando la caída en direca del diodo como V D y al volaje de salida del regulador como V OUT. La corriene en el inducor decae a la razón: dil d VL Vou + VD Vin (4) L L Suponiendo V OUT como aproximadamene consane, la razón anerior es consane y la corriene en el inducor puede expresarse como: Vou + Vd Vin il Ipk * (5) L Si se asume que la corriene en el inducor llega a cero luego del periodo off en que el inerrupor S1 permanece abiero, la corriene máxima i PK esará dada por: Vou + Vd Vin Ipk * OFF (6) L Igualando la ecuación (6) con la (2), se obiene la razón on / OFF : ON OFF Vou + VD + Vin (7) Vin Vsa

4 La figura 02 muesra las formas de onda en el inducor, el diodo y el inerrupor. Figura 02. Formas de onda de las variables imporanes del Regulador elevador. Se ha supueso al V OUT promedio como una consane. Eso es una aproximación válida si se supone que la carga nea enregada al capacior CO es cero. De la forma de onda de la corriene en el diodo D1, esa condición implica: Ipk * 2 OFF ( ON + OFF )* I OUT

5 VOUT + VD Ipk 2 * I OUT (8) VIN Adicionalmene, es necesario para que se cumpla que V OUT promedio es consane, que la corriene por D1 sea igual a la corriene de salida I OUT. Nuevamene, de la Figura 02 (i D ): Iou 1 OFF * OFF (9) Ipk Durane ese inervalo 1, el capacior CO se carga de su mínimo valor de volaje a su máximo, definiendo el volaje de rizado pico-pico V PP. De allí: Vpp Q Co 1 Ipk + Iou * * Co 2 Iou Co 1 * 1 Vpp ( Ipk + Iou) 2* Ipk 2 OFF * Co (10) donde se ha simplificado la expresión por medio de la ecuación (9). Finalmene, se esima la eficiencia del regulador. La corriene de enrada promedio i IN (PROM) puede ser calculada de la forma de onda de la corriene en el inducor (Figura 02) como: I IN ( PROM ) Ipk 2 * ( PROM ) Pin V IN I IN (11) Así, si se oma P OUT I OUT *V OUT, se endrá que la eficiencia del regulador es:

6 P OUT VIN Vou η * (12) PIN VIN Vou + VD Se ha despreciado en ese cálculo la poencia disipada por el inerrupor S1, ya que opera en core y sauración, de modo que la ecuación (12) indica un valor de eficiencia máxima.