DISEÑO DE FUENTES CONMUTADAS Alfonso Darío López Camero, Elianny Treto Portal, Alberto Taboada Crispí Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Carretera a Camajuaní, km 5 ½ , Santa Clara, VC. [email protected] RESUMEN En este trabajo se realizan diseños de algunos ejemplos de fuentes conmutadas, muy usadas en equipos médicos portátiles, con ayuda del programa de simulación LTSPICE IV. Las corrientes y voltajes de entrada y salida usados son típicos para el funcionamiento de equipos portátiles alimentados con baterías. Todos los circuitos se simularon para comprobar el funcionamiento de los mismos en diferentes condiciones, mostrando las bondades del LTSPICE IV para dichos fines. Palabras clave: fuentes conmutadas, diseño, simulaciones. 1. INTRODUCCIÓN Todo dispositivo electrónico que requiera para su funcionamiento de energía, necesita de una fuente de alimentación. Algunos de estos equipos de bajo consumo pueden ser alimentados por baterías, siendo el principal objetivo en esta investigación el diseño de fuentes conmutadas que permitan el suministro de energía desde valores relativamente pequeños (pilas o baterías AA/AAA), obtener voltajes y corrientes que sean capaces de hacer funcionar equipos portátiles, fundamentalmente dentro del campo de la biomedicina. En este tipo de reguladores, la transferencia de energía desde la entrada a la salida no se realiza en forma continua, sino en forma de paquetes, mediante la inclusión de elementos reactivos que actúan como acumuladores de energía. Ahí se centra la diferencia entre fuentes lineales [1] y conmutadas [2], [4], con una mayor eficiencia y densidad de potencia en el caso de las últimas [3]. El diseño de ese tipo de fuentes se realiza con circuitos modernos que pueden trabajar a una alta frecuencia y los cuales tienen precios asequibles en el mercado internacional. Este trabajo aborda el diseño y simulación de algunos ejemplos de fuentes conmutadas empleando componentes de la Linear Technology [5], [6], [7], [8]. 2. METODOLOGÍA Para el diseño de todos los circuitos a simular y analizar en este trabajo empleamos la herramienta de software LTSPICE IV, ya que dicho programa está especializado principalmente para el diseño de fuentes. Además, las simulaciones con este permiten las mediciones de las corrientes y voltajes que son prácticamente imposibles de hacer con programas como el OrCAD o el Multisim, ya que los mismos no están concebidos para trabajar con modelos de reguladores de conmutación como los que nos ocupan, pudiendo introducir errores. Las fuentes de conmutación tienen rápidas ondas cuadradas de alta frecuencia, junto con lentas respuestas globales de lazo. En ese entorno, las simulaciones convencionales (con OrCAD, Multisim, etc.) toman tiempos prohibitivos, o tienen que introducir simplificaciones no aceptables, que no pueden reflejar realistamente todo el funcionamiento de los circuitos. SwitcherCAD III y su versión más avanzada (de noviembre de 2008), LT-SPICE IV, modelan capacitores e inductores con resistencias series y otros aspectos parásitos de su comportamiento, sin necesidad de subcircuitos o nodos internos. También se da atención especial a los MOSFET’s para reducir los nodos y reducir, por tanto, el tiempo de simulación. Además, se evitan problemas de convergencia. En cuanto a los componentes usados en los diseños, debemos decir que todos son de la reconocida firma Linear Technology (LT), una de las líderes mundiales en la fabricación de circuitos integrados (CI) para fuentes conmutadas. Entre los mismos encontramos el LT1026, con capacitores conmutados de tensión y duplicador inversor, capaz de funcionar de 4V a 10V de entrada, y ofrecer de ±7V a ± 18V de salida, con corrientes disponibles de más de 10mA [5]. Otro componente empleado en los diseños fue el LT1070HV, el cual presenta una amplia gama de voltajes de entrada (de 3V a 60V), funciona en casi todas las topologías de conmutación y puede dar una potencia a la carga de hasta 100W [6]. El LT1173 se empleó también en este proyecto, ya que opera a voltajes de suministro de 2V a 30V [7]. El último CI usado fue el LT1371, que es un regulador monolítico capaz de operar a altas frecuencias y permite una fácil sincronización externa [8]. Fig. 1. Configuración estándar doblador de voltaje invertido con LT1026. Entre los circuitos montados y simulados, a modo de ejemplo, encontramos un duplicador de voltaje de configuración estándar positivo – negativo, empleando el LT1026 (Fig. 1). Otro diseño fue el convertidor de 5V a 12V de salida, empleando el LT1070HV (Fig. 2). También se realizó el montaje de un convertidor de 3V a 5V, con el LT1173-5 (Fig. 3). Por último, diseñamos otro convertidor de 5V a 12V de salida, con el LT1371 (Fig. 4). 1/4 Fig. 2. Convertidor de 3V a 5V con LT1173-5. Fig. 5. Simulaciones del doblador de voltaje invertido (Fig. 1). En la Fig. 6 se observa cómo a partir de 3V de entrada, proporcionados por 2 baterías de 1,5V cada una, se puede obtener un voltaje de salida de 5V, con una corriente de salida de aproximadamente 200mA. Fig. 3. Convertidor de 5V a 12V con LT1070HV. Fig. 4. Convertidor de 5V a 12V con LT1371. 3. RESULTADOS En cuanto a las simulaciones de los circuitos ya antes expuestos, se podrán ver las gráficas de diferentes variables de los mismos como es la salida de voltaje (VOUT), la corriente de carga (IL), y como pueden o no variar sus valores, principalmente en dependencia de la entrada de voltaje (VIN) del circuito y el cambio de la resistencia de carga (RL). Siempre se trata que con la variación de los valores ya mencionados, se mantengan lo más estables posible VOUT y IL, aparentando la situación en que el equipo este trabajando cuando las baterías estén a máxima potencia, o en el peor de los casos cuando estén descargadas casi por completo. Analizando el circuito de la Fig. 1, que es el Doblador de Voltaje de entrada y la obtención de voltajes de salida positivo y negativo, se puede observar que con una fuente de 4V se puede obtener un voltaje de salida de aproximadamente 7V. Fig. 6. Simulaciones del convertidor de 3V a 5V (Fig. 2). En la Fig. 7 se puede ver como con una entrada mínima de 2V, por descarga de las pilas, manteniendo la misma resistencia de carga de 25, se obtienen valores de salida afectados (VOUT = 3,5V; IL = 130mA). Aunque pudieran hacer funcionar circuitos internos del equipo alimentado, no se recomienda el circuito de la Fig. 3 para voltajes de entrada tan bajos. Fig. 6. Simulaciones del convertidor de entrada. Fig. 2, pero con 2V de El siguiente circuito diseñado y simulado (Convertidor de 5V a 12V) lo emplearemos para demostrar como con la variación de la carga se obtienen valores de voltaje y corriente asequibles para el funcionamiento de cualquier equipo que presente este tipo de fuente conmutada. 2/3 Fig. 9. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 4. Fig. 8. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 3. Como se puede ver en la Fig. 8, el voltaje de salida del circuito es de 12V y la corriente de carga es considerable, ya que alcanza el valor de 1A. Luego, se simula el circuito cuando la carga aumenta de 12 a 50, para verificar su comportamiento. En la Fig. 9 se observa que con la carga de 50 trabaja más cómodo, manteniendo el voltaje de salida de 12V y, por la ley de Ohm, la corriente de salida es de solo 240mA aproximadamente. El diseño de todos estos circuitos de fuentes conmutadas, debido a sus valores de voltaje y de corriente de salidas, a partir de una simple alimentación de baterías, tiene una infinidad de usos, incluyendo equipos médicos portátiles. Entre otras varias aplicaciones podemos mencionar: Suministro de los amplificadores operacionales presentes en los equipos. Obtención de múltiples salidas mediante una sola entrada. Inversores del voltaje de entrada. Duplicadores y cuadruplicadores de voltaje de entrada mediante conexión en paralelo. En laptops, teléfonos celulares, etc. 4. DISCUSIÓN Se pudo observar, mediante la simulación de los circuitos diseñados, como se obtenían valores de voltaje y corriente de salida para diferentes entradas de alimentación del circuito, así como la variación de estos parámetros a causa del cambio de la carga a la que deben alimentar estos circuitos. Tienen como estructura principal los integrados de LT, que pueden trabajar a altas frecuencias, y que tienen Low Dropout (LDO) y por consiguiente un alta eficiencia. Es importante destacar que todos estos componentes en estado inactivo consumen solo una pequeña corriente y en el caso del LT1371 se tiene incluso la posibilidad de desconexión cuando se desea, mediante el terminal de shutdown (SHDN), lo que aumenta la duración de la batería. 5. CONCLUSIONES Fig. 9. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 3, con RL=50. El siguiente circuito es otro Convertidor de 5V a 12V, con RL=50, pero con el CI LT1371 como en la Fig. 4. En la Fig. 10 se muestran las curvas del VOUT y el VIN, así como la corriente de carga de dicho circuito. En este, la corriente de carga alcanza también, por supuesto, el valor aproximado de 240mA. Este es satisfactorio ya que es una corriente suficientemente alta que permite hacer funcionar los circuitos de equipos de mediana complejidad. El LT1371 tiene la ventaja de poderse desconectar mediante su terminal SHDN, para ahorrar baterías cuando no se usa. Este trabajo proporcionó las características de las fuentes conmutadas, su funcionamiento a través de las simulaciones, diseño y algunas aplicaciones. Indicó la utilidad y eficacia de una fuente conmutada. A pesar de que se ilustra con solo unos pocos ejemplos, también se realizaron otras decenas de simulaciones de fuentes conmutadas para corroborar la idoneidad de LTSPICE IV para efectuar las mismas. Este programa muestra detalles del complejo funcionamiento de los circuitos en un tiempo relativamente breve, aspectos en los que supera con creces lo que pueden hacer OrCAD 10.5 y Multisim 10.1, según se comprobó experimentalmente. REFERENCIAS [1] C. Simpson, “Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation”, National Semiconductor, Application Note 1148, May 2000. [2] National Semiconductor, “Introduction to Power Supplies”, Application Note 556, September 2002. [3] A. Nachez, “Aplicaciones de la Conversión CC-CC. Fuentes Conmutadas”, Electrónica de Potencia, Capítulo 1, pp. 3-8, 2003. [4] C. Simpson, “Linear and Switching Voltaje Regulator Fundamentals”, National Semiconductor. [5] Linear Technology, “LT1026 Voltage Converter”. [6] Linear Technology, “LT1070HV 5A and 2.5A High Efficiency Switching Regulators”. 3/3 [7] Linear Technology, “LT1173 Micropower DC-DC Converter Adjustable and Fixed 5V, 12V”. [8] Linear Technology, “LT1371 500 kHz High Efficiency 3 A Switching Regulator”. 4/3
