Un convertidor DC/DC de 0 a 200 V que se programa con un voltaje

Este Design Idea de EDN, firmado por el ingeniero Nikolay Pavlov, describe un convertidor DC/DC simple, barato, flexible y escalable. Sus características principales son estas:

• La salida se programa de forma lineal con un voltaje externo referido a tierra.
• Es un convertidor flyback de dos fases alimentado con una entrada de 15 a 30 V.
• Entrega una salida de 0 a 200 V, con una potencia máxima de hasta 60 W.
• Está construido en torno a un controlador PWM push-pull MIC3808/MIC3809 o uno similar.

El problema

Algunas aplicaciones necesitan bastante potencia en continua con un voltaje controlado con precisión, que además puede variar en un rango amplio. Las soluciones tradicionales para ese requisito suelen ser tres:

• Reguladores lineales, con baja eficiencia y mucha disipación de potencia.
• Convertidores PWM reductores, que solo generan voltajes menores al del riel y no tienen lazo de realimentación de voltaje a menos que se implemente aparte.
• Potenciómetros digitales o DAC multiplicadores, que reemplazan los divisores resistivos de realimentación de los circuitos integrados de control. El problema es que exigen control digital en vez de analógico, y provocan cambios grandes en la ganancia del lazo de realimentación a lo largo del rango de ajuste, lo que puede desestabilizar la salida.

La solución propuesta

La idea es una solución genérica que convierte cualquier circuito integrado de control de potencia con entrada de realimentación de voltaje en un convertidor DC/DC de ajuste lineal y rango amplio.

En la implementación preferida, una fuente de corriente controlada por voltaje, de valor pequeño, extrae corriente del punto de medición del divisor de realimentación del lazo de control.

• La fuente de corriente se arma con un MOSFET pequeño (por ejemplo, un 2N7002) y un amplificador operacional.
• Conviene usar amplificadores operacionales cuya entrada llegue al riel inferior, que en este caso es tierra (por ejemplo, el LM358).

Consideraciones de diseño

• Relación de transferencia constante. Como la fuente de corriente tiene una impedancia diferencial alta, la relación de transferencia del divisor de realimentación se mantiene constante.
• Linealidad y estabilidad. Al evaluar la estabilidad del sistema hay que tener presente que el convertidor DC/DC no es del todo lineal. Normalmente se necesita suficiente capacitancia de salida para asegurar la estabilidad de la realimentación y un rizado bajo en todo el rango de voltaje y corriente.
• Profundidad de la realimentación. Como se inyecta corriente al divisor resistivo desde una fuente de alta impedancia, la profundidad efectiva del lazo de realimentación negativa varía menos que con un divisor resistivo programable.
• Descarga de la capacitancia. Algunos circuitos tienen dificultades para descargar la capacitancia de salida cuando el convertidor se programa de golpe a un voltaje menor con una carga débil. En esos casos ayuda usar convertidores bidireccionales con rectificación síncrona.

El concepto

Como muestra el esquemático conceptual (Figura 1), el voltaje de salida objetivo V_out en función de la corriente I se calcula con esta fórmula:

V_out(I) = V_ref * (1 + R1/R2) + R1 * I

Figura 1. Esquemático conceptual del diseño propuesto.

La implementación

Según el esquemático completo (Figura 2), el control del voltaje de salida se mantiene lineal hasta la condición de recorte, que suele ser el comportamiento preferido en un control lineal.

Figura 2. Esquemático completo de un convertidor DC/DC que entrega hasta 60 W en un rango de 2 a 200 V, controlado de forma lineal con un voltaje de entrada referido a tierra.

En esta implementación concreta, el voltaje de salida se calcula así:

V_out(I) = V_ref * (1 + R7/R8) + R7 * I, (V_d, V_ref) * R7/R1

La corriente I, que depende del voltaje de entrada V_in, es:

I = I(V_in) = min(V_ref / R10, (V_in / R10) * (1 + R9/R11))

Cuando V_in se pasa del rango, el voltaje máximo de salida de este circuito corresponde al MOSFET Q3 completamente abierto. En ese caso la salida queda en:

V_out = V_ref * (1 + R7/Rp)

donde Rp se calcula como:

Rp = (R8 * R10) / (R8 + R10)

¿Por qué un flyback de dos fases?

El convertidor está construido como un flyback de dos fases con un controlador Micrel MIC3808 de bajo costo (Figura 3). Se pueden usar controladores parecidos de otros fabricantes, como el UCC38083 de Texas Instruments, en configuraciones similares.

Figura 3. Una implementación en PCB del diseño se fabricó y se probó en laboratorio.

Frente a un flyback de una fase o a un convertidor elevador, el enfoque de dos fases tiene varias ventajas:

• Saturación del núcleo magnético. Un tiempo apagado garantizado del 50% para cada transistor permite manejar mejor la carga en un rango amplio de voltajes de salida y evita que el núcleo se sature.
• Filtrado. Un convertidor de dos fases da mejores condiciones a los filtros de entrada y de salida, algo especialmente importante con cargas muy variables.
• Tamaño de los componentes. Con dos fases se entrega más potencia usando inductores acoplados SMD baratos y fabricados en masa, en vez de magnéticos más grandes y caros.
• Costo. El controlador DC/DC suele costar menos en los tipos push-pull que en los controladores flyback o elevadores de una fase. Agregar la segunda fase (MOSFET, inductor y diodo) normalmente cuesta mucho menos de lo que se ahorra en el controlador.

¿Qué mostraron las mediciones?

Las Figuras 4 a 6 muestran algunas mediciones experimentales de la placa.

• El control del voltaje de salida es perfectamente lineal.
• El consumo en vacío ronda los 0,36 W, y la eficiencia a alta potencia se acerca al 78%.

Figura 4. Voltaje de salida en función del voltaje de entrada.

Figura 5. Potencia de salida en función de la potencia de entrada.

Figura 6. Mediciones reales del prototipo de PCB probado en laboratorio.

Una advertencia

Con poca potencia y un condensador de salida pequeño, la salida del convertidor puede pasar por oscilaciones lentas e irregulares, de 10 a 20 ms. La Figura 7 muestra un ejemplo con una salida de 90 V y 1,5 W.

Figura 7. Oscilaciones a baja potencia de salida (1,5 W) con un condensador de salida pequeño.

El rizado es chico, de unos 0,1 V, y desaparece cuando la salida entrega más potencia. Según Pavlov, la naturaleza no lineal de la conversión de energía en las configuraciones flyback hace imposible evitarlo en una parte del rango de salidas posibles.

Para esquivarlo, la recomendación general es usar un condensador de salida suficientemente grande, y lo que manda acá son las características de la carga. También se puede cambiar la ganancia del lazo de realimentación eligiendo un valor adecuado para el condensador de compensación (C8 en el esquemático), aunque esa alternativa hace más lenta la respuesta de la realimentación.

Nikolay Pavlov es ingeniero de I+D en hardware electrónico y sensores, especializado en análisis de circuitos, selección de componentes, modelado electromagnético y procesamiento de señales. Fuera de su trabajo es radioaficionado, con interés en radiofrecuencia, código Morse y onda corta.