Por Osvaldo LW1DSE º
En esta nueva entrega voy a presentarles un conexionado que hace poco tiempo que existe, y del que me entere leyendo una nota de aplicacion (conocidas en ingles como Application Notes) AN1126 de un integrado de la firma ST Microelectronics, el L4974 donde aquel que conoce el idioma y le interese, puede interiorizarse aun mas sobre este topico. En un capitulo anterior expuse un inconveniente que era el siguiente: cada vez que el circuito debe entregar potencia a la carga, se drena corriente desde la entrada (Ei) hacia la salida en forma de pulsos de duracion variable de manera que mediante el efecto integrador del circuito pasabajos de la salida (L y Co) se convierten esos pulsos en una tension bien regulada y con gran constancia contra variaciones de Ei y/o de la corriente de carga Io, todo esto con el auxilio de un lazo de realimentacion negativa. Empero, esos pulsos circulan por el circuito de entrada, para lo cual es necesario un filtrado extra sobre la entrada para asegurar que esos pulsos no generen EMI (Electro Magnetic Interference, o interferencias electromagneticas) y que se propagan por los conductores de entrada de la fuente, actuando como antena. El problema en realidad es doble. Porque, Ademas de ser necesario confinar esas corrientes pulsantes dentro de un blindaje tipo jaula de Faraday que siemre sirven de alojamiento a las fuentes conmutadas, generan calor en los capacitores de filtrado de la entrada, provocando un fallo prematuro de la(s) unidad(es). Asi mismo, durante el ciclo de inactividad del MOSFET de potencia (es decir, durante el periodo Freeweeling), no se transfiere energia a la carga, desperdiciando ese periodo de tiempo util. Los Ingenieros que trabajan en el desarrollo de estos dispositivos, encontraron una solucion simult nea a esos dos defectos.
En la figura 1 vemos expuesta someramente la solucion hallada por los Ingenieros. Se trata de un sistema llamado multifase o polifase. Consta basicamente de dos o mas fuentes exactamante iguales entre si, conectadas en paralelo (a la entrada y a la salida), pero que operan desfasadas é = 360/n grados, o 2ã/n rad., donde no es la cantidad de unidades puestas en paralelo y é es el a ngulo de fase (grados o radianes). De esta forma es posible reducir el ripple a la entrada (y tambien a la salida), dado que para determinados angulos de coduccion de los MOSFET, siempre hay al menos 1 de ellos que esta conduciendo, mientras el resto puede estarlo o no (haciendo freeweeling).
En este caso, y por simplicidad he dibujado solo dos, pero existen IC's que operan con hasta 4 fases por fuente. Entonces, se tiene una solucion unica a los multiples problemas antes expuetos. El caso es similar al caso de rectificacion en puente de Greatz desde una linea trifasica. Siempre una fase esta aportando potencia a la carga, que retorna al generador via las otras dos fases. Todas ellas se hallan diferenciadas 120 grados o 2ã/3 radianes.
Para el caso esquematizado en la figura 1, mientras MF1 esta conduciendo, aporta energia desde la entrada; en tanto MF2 esta bloqueado, recirculando corriente desde L2 por D2. En un instante posterior, puede entrar en conduccion MF2, con lo cual los dos aportan. Algunos nanosegundos mas tarde, sale MF1, recuperando desde L1 por D1. Entonces, al haber solapamiento de los periodos de conduccion de los MOSFET, no solo se aumenta la frecuencia del ripple (pudiendo inclusive desaparecer si el angulo de conduccion requerido para mantener la tension de salida a este nivel de corriente es igual al 50%, o a 100%/n en caso de mas de dos paralelos), con lo cual a igualdad de capacidad de entrada, el voltaje pico a pico del mismo disminuye proporcionalmente; sino que simultaneamente, cada uno de los MOSFET entrega solo Io/n Amperes a la carga, de manera que pueden usarse semiconductores de menor capacidad que si fuera 1 sola unidad.
Puede observarse, que basta 1 solo capacitor de salida comun a todas las subfuentes, empero por razones de irradiacion de EMI por parte del conexionado desde los inductores hasta al capacitor, se disponen varias unidades en paralelo, con al menos 1 en cada uno de ellas. Asi mismo, y por iguales razones, se suelen disponer capacitores de entrada en las proximidades de cada uno de los Drain de los MOSFET's. Debe tenerse en cuenta, que dado que los inductores operan con distintas corrientes y con distintas fases, deben ubicarse de manera tal que no haya acoplamiento magnetico entre ellos. Por ese motivo casi siempre se utilizan nucleos toroidales en los cuales el campo disperso es extremadamante bajo.
En cada subfuente, en caso de utilizarse circuitos integrados independientes, cada uno de ellos tiene su propia compensacion, y su propio oscilador, mientras que para los lazos de realimentacion de tension el tema es distinto. Por lo general, uno de ellos; el que opera como maestro; tiene un lazo cerrado sobre la carga, al igual que si estuviera solo, mientras que el o los esclavos, tienen un mecanismo destinado no solo a sensar la tension de salida propia, sino que ademas vigilan que las corrientes que esta entregando el maestro y cada uno de los esclavos sean iguales, o proporcionales a sus capacidades de entrega de corriente. Como por lo general, son similares, todos ellos deben entregar la misma corriente a la carga, y entonces ajustan su tension de salida para equilibrar las corientes entregadas. Ello se hace con un simple amplificador operacional (no mostrado en la fig. 1) por cada uno de los reguladores esclavos. De esa manera se asegura un reparto equitativo de la corriente de carga, y por ende, de las perdidas y de los incrementos de temperatura.
Con respecto al oscilador, puede haber variantes. Puede darse que uno de ellos opere como maestro y mediante circuitos de retardo de tiempo se comandan a los demas. O, que haya un oscilador separado, y por medio de
divisiones de frecuencia, se le hagan llegar a cada uno un pulso de sincronismo de una frecuencia ligeramente mayor a la del oscilador local de cada regulador. A todos ellos, les llega la misma frecuencia de trabajo, pero con distintas fases a cada uno. Si se trata de un circuito especializado, toda esa circuiteria se halla incorporada dentro del mismo, con un solo oscilador y un solo lazo de sensado de tension. La mayoria de ellos, incorpora ademas, las salidas destinadas a comandar MOSFET's que operan como rectificadores sincronicos alcanzando rendimientos de conversion extremadamente altos.
En la fuigura 3 vemos un grafico aproximado del nivel de ripple a una frecuencia dada, con capacitor dado, para una fuente unica y para dos fuentes trabajando como arriba se explica. Para niveles muy altos o muy bajos de duty cycle, el ripple es poco, comparado con el momento en que este se aproxima a .5 (50%). Visto que la frecuecia de ripple se dobla, la reactancia del capacitor es la mitad para la misma capacidad, para el caso de 2 fuentes desfasadas. El ripple se anula en las proximidades del 50% de duty cycle, y alcanzan dos maximos para el 25 y 75% respectivamente. Esos maximos se acercan entre si pero tienen cada vez menos amplitud a medida que se incrementa la cantidad "n" de fuentes paralelizadas del sistema. Esto es asi, puesto que (insisto) a igualdad de valor del capacitor de entrada o salida en cuestion, su reactancia es cada vez menor por aumentar la frecuencia del ripple, y porque hay mas cantidad de fuentes aportando potencia al sistema (en esta caso es mas valido para el capacitor de salida, para el de entrada deberia decirse extrayendo potencia). El hecho, en definitiva, es el mismo.
Fin capitulo # 15 |
