Gestión digital sencilla de controladores de fuentes de alimentación analógicas

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1 COMENTARIO TECNICO Gestión digital sencilla de controladores de fuentes de alimentación analógicas Por Josh Mandelcorn, miembro del equipo técnico de Texas Instruments Normalmente, el control digital de la alimentación se asocia a complejos controladores especializados que utilizan un lenguaje de programación diferente al del microprocesador del sistema. En muchas aplicaciones nos encontramos con unas necesidades de alimentación de cierta complejidad y un microprocesador del sistema con entradas y salidas (E/S) desocupadas y memoria libre. Aquí puede conseguirse un ahorro importante utilizando un sencillo circuito integrado (CI) de control de alimentación junto con el microprocesador existente para llevar a cabo las funciones complicadas. Algunos ejemplos son la iluminación de pantallas y la carga de baterías. En este artículo trataremos el funcionamiento de los circuitos de interfaz de bajo coste que permiten el control basado en microprocesador, así como los factores que deben tenerse en cuenta en el diseño. Posibles interfaces de control: a) Salidas digitales discretas (resolución de 1 bit por salida) b) Salidas de modulación de ancho de pulsos (generalmente con resolución de 8 a 12 bits) c) Salidas D/A (8 bits o más) d) Potenciómetros digitales (generalmente de 8 bits) La interfaz de menor coste se consigue mediante componentes del sistema o bien mediante ampliaciones de bajo coste. Por ejemplo, se podría ampliar el microprocesador para obtener dos canales adicionales de modulación del ancho de pulsos (PWM) por sólo 25 céntimos. Consideraciones sobre el software Aquí partimos de la base de que disponemos de los recursos adecuados para el desarrollo de software y de suficiente memoria de programa en el microprocesador. De todas formas, la demanda de tiempo de cálculo de estas funciones de gestión de alimentación es muy baja. Esto se debe a que las decisiones para la carga de baterías, retroiluminación y otras aplicaciones similares sólo han de tomarse cada varios cientos de milisegundos. Además, dado que estas funciones se implementan en el procesador del sistema, no es necesario aprender un nuevo lenguaje de programación.

2 Consideraciones sobre la resolución Las salidas digitales discretas se utilizan para situaciones de baja resolución. Lo más sencillo es elegir entre dos baterías con límites de corriente diferentes o entre dos niveles de iluminación: tenue o brillante. En aplicaciones que requieren una variación más o menos continua, el siguiente paso es utilizar 8 bits de resolución. De este modo se divide la salida total en 255 pasos. Si la salida máxima es de 17,5 V, cada paso modificaría la salida en 69 mv. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones el intervalo de variación necesario corresponde a un pequeño porcentaje del máximo. Por lo tanto, el intervalo de control digital sólo debe abarcar desde ese mínimo hasta la salida máxima, de manera que cada paso implica una variación mucho menor. En una aplicación de carga de baterías, la salida mínima es de aproximadamente 12 V. Para un intervalo de variación de 5,5 V, la variación por cada paso será de 21,6 mv. Si se requiere una mayor resolución, la modulación de ancho de pulsos no sólo es la solución más asequible, sino que además permite aumentar la resolución a 10, 12 ó incluso 16 bits tan solo con pequeñas modificaciones a nivel de software. Otras soluciones requieren ampliaciones del hardware que suponen un coste adicional. Puede ser necesario, por ejemplo, utilizar convertidores digital-analógico (DAC) de mayor resolución. Sin embargo, con una frecuencia de reloj del microprocesador dada, al aumentar la resolución se obtiene una frecuencia PWM mucho más baja. Esta frecuencia, a su vez, requiere un mayor filtrado para obtener una señal de CC limpia. Esto se debe a que la frecuencia PWM de salida es igual a la frecuencia de reloj dividida por dos elevado al número de bits de resolución. Ejemplos de control de tensión Generalmente, la opción de menor coste para una gran variedad de microprocesadores es usar salidas PWM. Estas salidas normalmente requieren dos etapas de filtrado, como se muestra en la figura 1. Figura 1: control de tensión con señal PWM La figura 1 muestra un circuito real ya probado que controla un transformador de línea en modo de corriente. En este ejemplo, el cliente necesitaba una tensión de salida superior o inferior a la tensión de entrada. La frecuencia de la señal PWM es de 4 khz. Con los valores mostrados, la tensión de rizado de la onda cuadrada PWM está atenuada en un factor de ó 72 db. La frecuencia PWM equivale generalmente a la frecuencia de reloj del microprocesador dividida por 256 para un modulador de 8 bits o por para uno de 10 bits.

3 Los 4 khz del ejemplo anterior se deben a un modulador de 10 bits y a una frecuencia de reloj de 4 MHz. Si la frecuencia de reloj es de 40 MHz, la frecuencia PWM será de 40 khz y los condensadores C1 y C2 que se muestran arriba deberán ser de 0,1 µf en lugar de 1µF. Si solo se necesitan 8 bits de resolución y la frecuencia de reloj es de 4 MHz, los condensadores deben ser de 0,22 µf cada uno. En este ejemplo, el intervalo de tensiones de salida es de 12,5 V a 16,8 V. No obstante se ha ampliado el intervalo en un 4% aproximadamente para permitir la calibración en fábrica. Esto permite utilizar un controlador PWM de bajo coste como el UCC2813 con resistencias estándar de aprox. 1% en lugar de un controlador PWM más caro y de menor tolerancia con resistencias de 0,1%. Además, las resistencias de película fina de 0,1% son más frágiles y menos fiables que las resistencias de 1%. En otra aplicación, el cliente sustituyó el PWM por un potenciómetro (pot) digital. La figura 2 muestra el mismo circuito con un potenciómetro digital: Figura 2: control de tensión con potenciómetro digital Se ha retirado el filtro de dos etapas. El inconveniente de los potenciómetros es que el control no es lineal respecto a la posición del potenciómetro y que los potenciómetros de bajo coste son todos de 8 bits. Aunque la resolución con una PWM de 10 bits era inferior a 6 mv por paso, la resolución con un potenciómetro digital de 8 bits varía desde 14 mv por paso en el extremo inferior del intervalo de ajuste a 36 mv por paso en el extremo superior. Control y supervisión de la corriente La mayoría de los controladores de bajo coste para fuentes de alimentación no ofrecen ninguna limitación de alta precisión de la corriente. No obstante, es posible obtener una limitación más exacta si se neutraliza el amplificador de error de tensión mediante un diodo OR-ing. La corriente de salida debe medirse en el lado de tierra y amplificarse con un amplificador operacional con detección de tierra de bajo coste, como el TLC272 o incluso el LM358, siempre que la tensión de offset de entrada sea aceptable. Si no es necesario supervisar la corriente, para este control se puede utilizar un único amplificador operacional. Como alternativa, se puede utilizar un amplificador operacional adicional para crear una tensión proporcional a la carga de corriente que el microprocesador pueda supervisar fácilmente. Esto resulta importante en la carga de baterías, en cuyo caso el controlador debe saber la carga o descarga acumulada.

4 Dado que en los amplificadores operacionales más económicos se incluyen dos o cuatro unidades por encapsulado, puede añadirse la función de supervisión por un coste adicional muy reducido. Debido a la disponibilidad de amplificadores operacionales con detección de tierra de bajo coste, la detección de corriente generalmente es mucho más asequible si se puede llevar a cabo en el lado de tierra en lugar del lado del vivo, a no ser que el controlador de PWM de la fuente de alimentación tenga integrada la detección de corriente en el lado del vivo. Si ese no es el caso, la detección en el lado del vivo requiere un circuito integrado desfasador de nivel dedicado, o bien un desfasador de nivel mediante componentes discretos aunque éste último nunca funciona a la perfección, debido al offset sensible a la temperatura. Figura 3: supervisor de corriente En el ejemplo de la figura 3 se ha sustituido un circuito integrado dedicado de supervisión de corriente por un circuito de supervisión de corriente de bajo coste. Aunque la corriente a la salida del transformador es en forma de pulsos, la corriente media es la misma que la corriente de carga. El filtro formado por R1, R4 y C3 alisa los pulsos de corriente. La ganancia del amplificador se ajusta de manera que el intervalo máximo de supervisión de corriente deseado coincida con el intervalo del convertidor analógico-digital (ADC) del microprocesador. En este ejemplo, la salida de 500 mv/a del amplificador operacional que alimenta un microprocesador de 3,3 V proporciona un intervalo de supervisión de 6,6 A. Aunque en este ejemplo se trata de un transformador de línea, éste puede aplicarse, y de hecho se ha aplicado a otras topologías, como los convertidores SEPIC y los reguladores reductores de tensión. La alimentación externa y las baterías conectadas a tierra en otro punto del sistema son ejemplos de casos en los que este enfoque no funcionaría y en los que sería necesaria la supervisión en el high-side.

5 Ejemplo de control de corriente: Figura 4: limitación de sobrecorriente La figura 4 muestra una aplicación de carga de batería controlada por microprocesador. En este circuito se ha añadido el cierre y el arranque suave. Aquí tenemos dos señales de control digitales, una para desactivar la conversión y otra para establecer el límite de corriente en 2 A o en 5 A. La salida del amplificador de error (U1:B) controla la patilla COMP del circuito integrado controlador de la fuente de alimentación (no mostrado en la figura 4) a través de D1 para limitar el ciclo de trabajo. En este ejemplo, el controlador de fuente de alimentación es un UCC3813. Aquí, el pin COMP es la salida del amplificador de error interno y la entrada del comparador PWM. Dado que el amplificador de error integrado en el UCC3813 tiene una corriente de actuación (pull up) limitada, el amplificador operacional de corriente externo puede neutralizarla fácilmente. Conclusión Hay muchas aplicaciones en las que se puede disfrutar de las ventajas del control y la supervisión digitales por un coste muy inferior al que suele generar la auténtica potencia digital. La clave está en utilizar los puertos de E/S y la memoria de programa libres del microprocesador junto con los correspondientes circuitos de interfaz de bajo coste. Las aplicaciones que no requieren un gran ancho de banda de control, como la carga de baterías y las interfaces para el usuario (p.ej. la retroiluminación) resultan especialmente apropiadas para este planteamiento. En este artículo hemos mostrado ejemplos de circuitos de bajo coste para supervisión y control y hemos expuesto las correspondientes consideraciones de diseño. Estos circuitos utilizan amplificadores operacionales estándar que se conectan a circuitos integrados de control de fuentes de alimentación de bajo coste. En todo caso, se puede recurrir a la calibración digital para que no aumente el coste de los circuitos integrados de control de fuentes de alimentación y para evitar el uso de resistencias de alta precisión.