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LW1DSE > TECH 26.02.11 15:29l 249 Lines 14049 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 2245-LW1DSE
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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #05
Path: IZ3LSV<IK2XDE<ON4HU<IW0QNL<ED1ZAC<CX2SA<HI5MLE<LW1DRJ<LW8DJW
Sent: 110226/1242Z 18437@LW8DJW.#1824.BA.ARG.SA [Lanus Oeste] FBB7.00e $:2245-L
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Vamos a analizar ahora, c¢mo reordenando los mismos materiales de la
Buck y de la Boost, podemos construir un inversor de polaridad. Nuevamente,
redibujo la Buck, base de las topolog¡as no aisladas, para poder ver las
diferencias con m s claridad.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ PWM ³ÄÄ´
³ ³ ----- L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ Diodo + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ À´<ÿ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei ³ ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 1
³- ³ - ³ ³
³ ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
GND
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ + -
³ PWM ³ÄÄ´ (-) (+)
³ ³ ----- L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³A ³ ³ ÄÁÄ
³+ ³ + ³ C ³ GND
ÄÄÁÄÄ ³ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei ³ ÄÄÂÄÄ -Eo ± Fig. 2
³- ³ - ³ ³
³ ³ ³ ³
ÄÁÄ ÀÄÄÄ´<ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
GND Diodo
toff ton
ÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ <-MOSFET on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MOSFET ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
----------------------------------------------------- <-MOSFET off
C todo del ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿<-EiÚÄÄÄÄ¿ <-MOSFET on
diodo D ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
(nodo A) ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄ <-MOSFET off
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ 0V ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ <--Diodo on
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-(-Eo)ÀÄÙ
<--- T -->
Se puede observar que el MOSFET, se encuentra conectado al positivo
de la tensi¢n de entrada, y que en la salida, el posistivo de la misma se ha
conectado a masa, GND.
Vamos a ver como opera esta configuraci¢n. Empecemos teniendo todos
los materiales desde 0Km. Conectamos la fuente de tensi¢n de entrada, Ei, y
empezamos a switchear (si se me permite el t‚rmino) el MOSFET. Cuando ‚ste
se activa, conecta la fuente de entrada Ei, directamente sobre el inductor L.
No vamos a reiterar las condiciones que deben reunir MOSFET, y exitador para
no aburrir. El diodo ultrafast se halla bloqueado, pues una tensi¢n positiva
en su c todo provista por el MOSFET, as¡ lo impone. La tensi¢n impuesta por
el MOSFET se aplica con la polaridad expresada sin par‚ntesis, positiva por
el lado del MOSFET, y negativa por el borne de masa. Esto crea una corriente
que crece linealmente al ritmo determinado por el valor de inductancia, y la
tensi¢n de la fuente primaria.
e = -L * (I/t) (1)
La inductancia, responde oponi‚ndose a la tensi¢n que intenta aumentar
la corriente en su devanado, para ello crea una DDP entra sus terminales
expresada por la polaridad sin par‚ntesis. Una vez que se ha cargado de
energ¡a en forma de campo magn‚tico en el gap del n£cleo de la inductancia,
anulamos el funcionamiento del MOSFET, con lo cual la corriente colapsa.
Como el inductor es reaccionario ante un cambio en las condiciones de trabajo,
responde creando entre sus bornes, una FEM que se indica con la polaridad
mostrada con los par‚ntesis. Es decir, aparece una DDP negativa por el lado
del diodo, con lo cual este se ve forzado a entrar en conducci¢n, cargando
al capacitor C, con la polaridad indicada en la figura 2 y proveyendo de
energ¡a el‚ctica a nuestra carga, Rc.
Al igual que en la topolog¡a Boost, no hay entrega simult nea de
energ¡a por parte de la inductancia y el capacitor, por lo tanto son v lidos
todos los conceptos vertidos en el cap. #4 con respecto a las exigencias del
capacitor, inductor, MOSFET, y diodo. Inclusive, sigue teniendo validez lo
all¡ expuesto respecto al ripple de la tensi¢n de salida, y de un eventual
filtardo posterior, como lo vemos en la figura 3.
+Ei
oÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ PWM ³ÄÄ´
³ ³ ----- L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³ ³ ÄÁÄ
³+ ³ + ³ C + ³ Co ³ GND
ÄÄÁÄÄ Ci ³ ÄÄÁÄÄ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ ³ ÄÄÂÄÄ ÄÄÂÄÄ -Eo ±
³- ³ - ³ - ³ ³
³ ³ ³ ----- ³ ³
ÄÁÄ ÀÄÄÄ´<ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
GND Diodo Lo
Fig. 3
Para concluir con la parte referida las topolog¡as que no poseen
aislamiento galv nico entre la salida y la entrada, voy a presentar un par de
ligeras modificaciones basadas en la Buck. Una de ellas, corresponde a una
mejora en el rendimiento, y la otra a un refinamiento.
oÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
+ Ei ³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET 1
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ + PWM ³ÄÄ´
³ ³ ----- L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET 2 ÄÄÂÄÄ Eo ±
³- - PWM ³ÄÄ´ - ³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
Figura 4 GND
Este circuito tiene la ventaja de que no existe diodo de recircula-
ci¢n, el cual ha sido reemplazado por otro MOSFET de potencia. Como puede
observarse, el MOSFET 2 efectivamente sustituye al diodo r pido que all¡
ten¡amos colocado. Para que sirva, es necesario que ese MOSFET se lo exite
con una se¤al de compuerta invertida con respecto a la del MOSFET 1 (indicado
en la figura 4 como +PWM y -PWM), y que no todos los circuitos de PWM son
capaces de generar.
No obstante esta peque¤a dificultad, esta configuraci¢n es hoy en d¡a
muy utilizada en motherboards de PC para generar las muy bajas tensiones
requeridas por el "core" del CPU, donde las corrientes son muy altas, y es
imprescindible minimizar las p‚rdidas. Por ejemplo, en un mother destinado a
funcionar con un microprocesador PIII o PIV, la tensi¢n del core oscila entre
1.8 y 2.2 Volts. En estas condiciones, un diodo shotky con una ca¡da de .3 o
.4 de Volt, representan aproximadamente un 25% de la tensi¢n de salida. Obvio,
que esa p‚rdida se transforma en calor, que debe evacuarse del sistema
mediante discipadores, y eventualmente ventiladores (coolers), aumentando el
costo, tama¤o, peso, e incomodidad de todos esos elementos, junto a una
marcada merma en la confiabilidad y eficiencia del sistema. Un MOSFET t¡pico
para este servicio, posee una tensi¢n de avalancha de unos 30V (m s que
suficiente teniendo en cuenta que se parte desde la l¡nea de 5V), una
corriente admisible de unos 70 u 80 amper, y resistencia de encendido por
debajo del mê (miliohm). Entoces, la ca¡da interna en este caso es de unas
pocas decenas de mV (milivolts) contra los .4V del diodo. Y es as¡ como las
p‚rdidas no llegan al watt.
+ Ei
oÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ +
³ ³ ³ D2 ³ + ³
³ ³ ³ ÄÄÁÄÄ C2 ± Rc2
³ ³ÄÄÙ ³ ÄÄÂÄÄ ±
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ n2 ø ³ - ³
³ PWM ³ÄÄ´ ÀÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ -
³ ³ ----- Lm
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ +
³ ³ ø n1 ³ ³
³+ ³ D1 + ³ C1 ³ Rc1
ÄÄÁÄÄ À´<ÿ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ ³ ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 1
³- ³ - ³ ³
³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ -
0V ÄÁÄ
Figura 5 GND
En este esquem tico puede verse que se ha adicionado un devanado (o
m s, de ser necesarios), del cual se puede extraer energ¡a del inductor en
el momento en que el MOSFET no conduce y si lo hace el diodo D1, cosa que se
puede apreciar al analizar las polaridades relativas de esos bobinados (lo
cual se indica con el s¡mbolo ø , y que explicita lo que se llama bornes o
terminales hom¢nimos). En efecto, como durante este intervalo de tiempo
tenemos en el inductor un campo magn‚tico que est decreciendo en amplitud,
y es por lo tanto, variable, podemos inducir una FEM en otro bobinado que se
halle ¡ntimamente acoplado al n£cleo. En estas condiciones, como la tensi¢n
de salida est siendo controlada por el lazo de realimentaci¢n negativa que
controla al PWM (no mostrado hasta ahora en ninguna figura por motivos de
simplicidad), la tensi¢n de salida sobre la carga Rc2 puede evaluarse:
n2
V[Rc2] = ( V[Rc1] + Vç[D1] ) * ÄÄÄÄ - Vç[d2] (2)
n1
Es decir, que a la tensi¢n de salida sobre Rc1, sumada la ca¡da en
directa del diodo D1, y multiplicada por la relaci¢n de espiras entre estos
bobinados, y restando la ca¡da del diodo D2, nos da la tensi¢n disponible
para la carga Rc2. La tensi¢n as¡ obtenida, est bien regulada por l¡nea, pero
no tanto por carga, por lo tanto si es importante una buena estabilidad por
carga de ese voltaje, deber ser post-regulado. Tambi‚n podr¡a tomarse energ¡a
del inductor en el per¡odo en que est conduciendo el MOSFET, pero dicha
tensi¢n no est controlada, y es proporcional a la tensi¢n de entrada sin
regular, por lo tanto no es conveniente esta conexi¢n, y normalente nunca se
la utiliza. Por otro lado no es necesario que las masas est‚n unidas, mientras
la aislaci¢n entre bobinas lo permita. Inclusive, puede tener su polo positivo
unido a masa, para lo cual basta con invertir la polaridad del devanado
auxiliar, diodo, y capacitores electrol¡ticos referidos a esta salida.
Un peque¤o detalle a tener en cuenta: NO DEBE CREERSE QUE EL INDUCTOR
SE HA CONVERTIDO EN UN TRANSFORMADOR, pues no lo es. En cambio, debe decirse
que son INDUCTORES MUTUAMENTE ACOPLADOS. Para considerarse transformador, debe
entregarse potencia al secundario en todo el ciclo, mientras que en este caso
se hace el pasaje s¢lo durante el tiempo que dura la recuperaci¢n de energ¡a
del inductor. De hecho, este segundo devanado "roba" energ¡a de recuperaci¢n
durante este per¡odo, y debe ser repuesto en el siguiente proceso de carga
cuando se encienda el MOSFET. O sea, que la potencia que se extraiga por el o
los devanados adicionales a L, deben ser sumados a la potencia consumida desde
la salida principal de la fuente, para entonces considerar la potencia que
debe ser capaz de manipular el MOSFET. Seguramente, este detalle lo ha tenido
en cuenta el Ingeniero que desarroll¢ el sistema, por cuanto ante una eventual
reparaci¢n, siempre debe buscarse un MOSFET de caracter¡sticas iguales o
mejores que el original.
Fin cap¡tulo #5
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina.º
º Mother UMC æPC:AMD486@120MHz, 16MbRAM HD IDE 1.6Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C º
º Bater¡a 12V 160AH. 9 paneles solares 10W. º
º oszappa@yahoo.com ; oszappa@gmail.com º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
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