RESUMEN 1. INTRODUCCIÓN ~160~

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Pistas Educativas Año XXXII - ISSN 1405-1249

Certificado de Licitud de Título 6216; Certificado de Licitud de Contenido 4777; Expediente de Reserva 6 98 62

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Elías Rodríguez Segura Departamento de Ingeniería Mecatrónica

Instituto Tecnológico de Celaya

RESUMEN

En este artículo se exponen topologías utilizadas para la implementación de los Módulos Reguladores de Voltaje (Voltage Regulator Module por sus siglas en inglés VRM), además de estas también se exponen las diferentes técnicas de control que pueden ser aplicadas de manera analógica o digital, acorde a lo documentado en el estado del arte. Dependiendo de la topología seleccionada tendrá un mayor grado de complejidad tanto para análisis como para la técnica de control que se aplique, por lo cual se observaran diferentes eficiencias y número de dispositivos a utilizar lo cual se ve reflejado en su tamaño y costo.

Palabras clave: Autoexcitada, Excitación Externa, FPGA, Control Lineal, Control No Lineal, TIJW, VRM.

1. INTRODUCCIÓN

El avance en el desarrollo de microprocesadores con altas capacidades de procesamiento ha generado mayor consumo de energía y una reducción en el voltaje de alimentación.

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La observación conocida como la “ley de Moore” Figura 1 nos indica que crecería al doble el número de transistores alojados en un circuito integrado por cada par de años. Al aumentar en forma exponencial el número de transistores, aumenta de igual forma el consumo de la corriente [1]. Para poder mejorar el funcionamiento del microprocesador a frecuencias mayores, la mejor solución es disminuir el voltaje de alimentación, este se sitúa actualmente en 0.8V con una demanda de corriente de 100A.

Fig. 1. Ley de Moore.

El avance en los microprocesadores, nos lleva a enfocarnos a un estudio en el diseño de convertidores CD/CD, con la tendencia a un bajo voltaje y altas corrientes de salida. El principal problema de eficiencia en los convertidores es la etapa rectificadora, lo cual limita en gran medida el rendimiento del convertidor sin importar la topología utilizada [2].

En convertidores CD/CD de baja tensión es difícil lograr una alta eficiencia implementando diodos schottky en la etapa de rectificación, por lo que la única manera de mejorar la eficiencia es mediante el uso de la rectificación síncrona. El empleo de esta técnica se basa en sustituir los dos diodos rectificadores por MOSFET´s (Figura 2) para tener una menor caída de tensión.

Los sistemas centralizados son los más comunes para la alimentación de los microprocesadores. Un factor muy importante es que con una baja tensión de alimentación y altas corrientes de consumo, las resistencias e inductancias parásitas que existen entre

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Fig. 2. MOSFET dispositivo utilizado como rectificador síncrono.

El convertidor reductor síncrono es la topología más usada, el problema es que se alimentan de un sistema centralizado, el cual otorga un voltaje de entrada bajo (5-12V) (Figura 3), para que no se afecte el rendimiento del convertidor. En la actualidad la tendencia es tener un voltaje de alimentación de 48V para disminuir el filtro de entrada y los efectos parásitos entre la fuente y el VRM.

Fig. 3. Arquitecturas de distribución de baja tensión, sistema centralizado [3].

De esta manera se considera la aplicación de topologías con transformador para poder tener un sistema distribuido con voltaje de entrada alto (36-72V), Figura 4.

Fig. 4. Arquitecturas de distribución de alta tensión, sistema distribuido [3].

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2. TOPOLOGÍAS

Los VRMs son estructuras multifase con baja tensión de salida, alta corriente, rápida respuesta dinámica y una tendencia a un voltaje alto de entrada (36-72V), esto conlleva a la aplicación de diferentes topologías principalmente con transformador y con rectificación síncrona autoexcitada o con excitación externa. Las topologías que se pueden implementar se describen a continuación.

2.1 Reductor síncrono.

Consiste en poner reductores síncronos en paralelo y desfasarlos en el tiempo (Figura5) con lo cual se puede mejorar la respuesta dinámica de la fuente [4].

Fig. 5. Convertidor Reductor Síncrono Multifase.

Tener varias fases permite tener las señales de disparo desfasadas en 360°/Nf grados, donde Nf es el número de fases con el que cuenta el convertidor. En la Figura 6 se muestra la corriente para cada fase, la corriente total y las señales de control F1 y F2, para un convertidor reductor síncrono de dos fases [3].

La ventaja de esta técnica es disminuir la frecuencia por fase y reducir las pérdidas por conmutación en los MOSFET´s.

2.2 Forward con rectificación síncrona autoexcitada.

Para realizar un control sencillo de los MOSFET´s, sus compuertas se conectan directamente a devanados auxiliares en los principales componentes magnéticos del convertidor (Figura 7).

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Fig. 6. Diagrama de tiempo de las corrientes y señales de disparo para un VRM.

Fig. 7. Convertidor Forward con rectificación síncrona autoexcitada.

2.3 Forward con rectificación síncrona con excitación externa.

Para realizar el control de los MOSFET´s debemos de incluir un circuito de control, el impulsor, el aislamiento y la autoalimentación.

Los dispositivos que se encuentran en el devanado secundario deberán tener señales complementarias que cuenten con un tiempo muerto, aún que durante este tiempo muerto conduce el diodo parásito D3 introduciendo pérdidas por conducción y recuperación inversa, como se observa en la Figura 8.

2.4 Medio puente simétrico con rectificación síncrona con excitación externa.

Esta topología cuenta en el lado primario con dos MOSFET´s de esta manera se distribuye la potencia que se va a transferir al secundario en ellos, comparada a la topología forward que solamente utiliza un

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solo dispositivo, por lo que éste debe soportar la potencia demandada en el secundario del transformador.

Al igual que en el caso anterior debe de contar con un número mayor de elementos para realizar el disparo de los MOSFETs, aunado a esto se vuelve más complejo realizar el control para el disparo de éstos.

Fig. 8. Convertidor Forward con rectificación síncrona con excitación externa.

Fig. 9. Medio puente simétrico con rectificación síncrona con excitación externa.

2.5 Medio puente simétrico con rectificación síncrona autoexcitada de devanado único.

Una gran ventaja de esta técnica es el aplicarla en topologías de rápida respuesta dinámica y baja tensión de salida.

Otra ventaja que tiene es en el secundario se simplifica su control y se puede seleccionar el nivel de voltaje de excitación para los MOSFET´s por medio del número de vueltas del devanado auxiliar, dejando independiente el voltaje de salida. La conducción de ambos MOSFET´s durante los tiempos muertos del transformador es una mejora, al agregarle un diodo entre puerta y fuente evitamos que los diodos parásitos conduzcan.

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Fig. 10. Convertidor medio puente simétrico con rectificación síncrona autoexcitada [4].

2.6 Convertidor TIWJ

El convertidor Watkins-Johnson de dos inductores ó Two Inductors Watkins-Johnson, es una topología que no necesita de un transformador reductor como se muestra en la Figura 11. En la ecuación (1) se muestra la relación de entrada-salida.

(1) Para que tenga un funcionamiento adecuado, el ciclo de trabajo D debe ser mayor al 0.5, en caso contrario las corrientes y tensiones invertirán su signo.

Para tener una relación M(D)= 0.1 el ciclo de trabajo será D=0.526. Al tener relaciones en D muy bajas las pendientes del inductor de salida son prácticamente simétricas, con esto el comportamiento ante los transitorios ascendente y descendente de la corriente de carga es el mismo.

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Fig. 11. Convertidor TIWJ [5].

3. ESTRATEGIAS DE CONTROL

La estrategia de control es una parte esencial para satisfacer los requerimientos de diseño como una rápida respuesta dinámica.

Existe gran variedad de técnicas de control, normalmente se clasifican de la siguiente manera.

3.1 Control Lineal

Basa su funcionamiento en la variación lineal del ciclo de trabajo, en los siguientes apartados se presentan las diferentes técnicas.

3.1.1 Modo Voltaje

Este método es el más usado en los convertidores CD/CD de bajo voltaje de salida, en la Figura 12 se puede observar un control en modo voltaje aplicado a un convertidor reductor. Este tipo de control es considerado como lento, ya que actúa hasta que existan variaciones en el voltaje [6].

La rapidez va a depender del ancho de banda del convertidor en lazo abierto, la frecuencia de corte en modo voltaje típicamente será menor a 1/6 de la frecuencia de conmutación.

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Fig. 12. Control modo voltaje aplicado a un convertidor reductor [3].

3.1.2 Modo Corriente Pico

El control en modo corriente pico cuenta con dos lazos de retroalimentación, el lazo externo de voltaje que realiza la misma función que en el control por modo voltaje y lazo interno de corriente, el cual realiza el sensado de la corriente del interruptor superior como se muestra en la Figura 13, este lazo de corriente reduce en un orden el comportamiento dinámico del sistema, lo cual permite que la corriente a través del inductor sea una variable de estado [7]. De esta manera el lazo de voltaje tiene un adelanto de 90 ° en comparación con el control en modo voltaje.

Fig. 13. Control modo corriente pico aplicado a un convertidor reductor [3].

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3.1.3 Modo Corriente Promediada

Este modo de control es muy parecido al control modo corriente pico, como se muestra en la Figura 14, la diferencia radica en que el control modo corriente promediada introduce un regulador que amplifica la diferencia entre la muestra de la corriente sensada en el inductor y el voltaje de error y el voltaje de salida del lazo interno es la que se aplica a la entrada positiva del comparador que otorgara la señal PWM para el control de los MOSFET´s [3].

Fig. 14. Control modo corriente promediada aplicado a un convertidor reductor [3].

3.2 Control no Lineal

Basa su funcionamiento en la saturación del ciclo de trabajo cuando el voltaje de salida difiere de la referencia y en los siguientes puntos se presentan diferentes técnicas.

3.2.1 Control por Histéresis

Es el control más sencillo que se puede aplicar a un convertidor CD/CD, también es conocido como control de frecuencia variable. En la Figura 15 podemos ver un control por histéresis aplicado a un convertidor reductor.

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Fig. 15. Control por histéresis aplicado a un convertidor reductor [3].

Una característica del control por histéresis es su sencillez y rapidez, sin embargo tiene una baja inmunidad al ruido y una baja regulación en el voltaje de salida en régimen estacionario comparado con el control lineal.

3.2.2 Control V²

Es un control por histéresis mejorado, su objetivo es hacer más grande la ventana de histéresis, sin afectar la precisión de regulación del voltaje de salida [8].

Fig. 16. Control V2 aplicado a un convertidor reductor.

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El lazo interno de voltaje es un control no lineal todo o nada utilizando un comparador por histéresis, por lo que al tener cualquier variación en el voltaje de salida por variaciones en la corriente de la carga, se corregirá inmediatamente.

3.2.3 Control Lineal No Lineal

Esta estrategia de control permite unir la característica positiva de modo de control lineal, principalmente la estabilidad en régimen permanente y la característica positiva del control por histéresis respecto a la rápida respuesta en transitorios [6,9,10].

En la Figura 17 se puede observar la combinación en el bloque general de control, dos divisiones de otros dos bloques, en uno se encuentra la estructura lineal y en otro la no lineal, ambos se unen a través de una lógica de control quien decidirá cual control actuará en determinado momento.

Fig. 17. Control Lineal No Lineal aplicado a un convertidor reductor.

Al conocer las técnicas de control que se pueden implementar, hay dos tipos de tecnologías que se pueden utilizar electrónica analógica y digital, en los últimos años gracias al avance de la electrónica digital y los recursos que presenta podemos hacer cálculos más complejos que serían casi imposibles con la electrónica analógica.

Los micro controladores y el FPGA empiezan a incursionar en el área de control para los VRM, éste último mencionado realiza

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ascendente y una mejora de 8mV (aproximadamente 16%), durante el transitorio descendente y una reducción de 20μ s (> 40%) en el tiempo de establecimiento [11].

Fig. 18. Diagrama a bloques de un convertidor reductor con Control Digital.

El control basado en rizo y un tiempo de funcionamiento también se ha aplicado de manera digital, esta técnica toma el rizo del voltaje de salida del convertidor con el que realiza una comparación y por consiguiente el control del sistema, como tal es un control simple, tiene rápida respuesta ante transitorios y una buena eficiencia ante cargas ligeras. En la Figura 19 se puede observa el diagrama a bloques de esta técnica aplicada digitalmente.

La plataforma en la que se implementó es una FPGA Xilinx Spartan-3E, que consta de un reloj de 50Mhz, el convertidor analógico a digital con una frecuencia de muestreo de 3MHz y mediante el puerto RS-232 tiene una interface usuario gráfica.

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Fig. 19. Diagrama a bloques del control digital basado en rizo [12].

Fig. 20. Plataforma utilizada para la implementación del control digital [12].

4. CONCLUSIONES

Existe un gran número de topologías para convertidores reductores CD/CD, en el artículo se muestran las más utilizadas para los VRM, con el fin de familiarizarnos y conocer las posibles ventajas que ofrece una u otra. En la Tabla 1 se muestran las características de las diferentes topologías.

La tendencia en cambiar de un sistema centralizado a un sistema distribuido aunado a la evolución de los procesadores día a día ha provocado que en la gran mayoría de las topologías se

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Alimentar un convertidor reductor con un voltaje alto reducirá su eficiencia, si tenemos un VRM con 12VCD de entrada estará un 6% por debajo del rendimiento que si es alimentado por 5VCD, por lo que pensar pasar de 48 VCD de entrada tendría una eficiencia muy baja para éste convertidor.

Basándose en la Tabla 1 la topología que tiene la mejor eficiencia y buena rapidez de cambio es el medio puente con autoexcitación, sin embargo éste cuenta con un mayor número de MOSFET´s, el convertidor TIWJ cuenta con buenas características en la rapidez cambio y pocos dispositivos pero cabe mencionar que es solo simulación y no se tienen referencias de pruebas experimentales, el medio puente con excitación externa tiene una eficiencia considerable, menor número de dispositivos pero su rapidez de cambio no es la mejor. Por otra parte el control que se aplica a los convertidores CD/CD es importante, se vio que se dividen en: control lineal y no lineal.

El control lineal tiene ventajas en estado estable, al tener una muy buena regulación, pero la frecuencia de corte en lazo abierto está entre 1/3 y 1/6 de la frecuencia de conmutación para responder rápidamente ante un escalón de carga. Por lo que esta estrategia de control es considerada como lenta, utilizan un mayor número de

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componentes para su implementación de forma analógica.

El control no lineal cuenta con la ventaja de actuar de una manera rápida ante los escalones de carga, de esta manera se puede mejorar notablemente la respuesta del sistema ante una variación en el voltaje de salida. Suelen implementarse de manera más sencilla que el control lineal, utilizando un número menor de componentes de forma analógica. Este tipo de control suele considerarse rápido. Como desventaja podría decirse que cuenta con una baja precisión de regulación en estado estable.

La tendencia en los VRM´s es aplicar un control digital, de esta manera disminuir los componentes utilizados para el control, ya se ha llegado a obtener características muy próximas en respuesta que las de un control analógico e inclusive mejores. Por lo tanto es un área de oportunidad en la cual con las nuevas tecnologías digitales podemos día a día aprovechar sus mejoras además de la disminución de sus costos.

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