Cómo funciona un convertidor boost, y qué cuesta

Un convertidor boost da una salida mayor que su entrada. La gente lo elige esperando algo parecido a un transformador: 5 V dentro, 12 V fuera, asunto resuelto.

Lo que sorprende es la corriente de entrada. Un boost no crea energía, así que si la tensión de salida es mayor, la corriente de entrada tiene que ser todavía mayor. Ese único hecho explica la mayoría de los problemas de diseño con boost.

Respuesta rápida. Un boost almacena energía en una bobina mientras un interruptor la conecta a masa, y después abre el interruptor para que la tensión de la bobina se sume a la de entrada y empuje corriente por un diodo hacia la salida. Como la potencia de entrada tiene que superar a la de salida, la corriente de entrada es mayor que la de salida al menos en la relación de tensiones, y más todavía contando pérdidas.

Otra vez los dos estados

La topología es casi el buck reordenado. La bobina va directamente a la entrada, el interruptor tira de su otro extremo hacia masa y un diodo o un rectificador síncrono lleva corriente de ese nodo al condensador de salida.

Interruptor cerrado. La bobina queda conectada entre la entrada y masa. Tiene toda la tensión de entrada encima, así que su corriente sube y se acumula energía en su campo. Durante todo ese rato la salida no recibe nada de la bobina. A la carga la alimenta sólo el condensador de salida.

Interruptor abierto. La corriente de la bobina tiene que seguir circulando. El único camino que queda es por el rectificador hacia la salida. Para empujar corriente hacia una tensión mayor, el extremo de la bobina sube por encima de la salida, y la energía almacenada entrega carga al condensador y a la carga.

La asimetría es la contraria a la del buck. Aquí la corriente de salida está troceada, se entrega sólo durante el tiempo de no conducción, y la de entrada es continua. Por eso los boost tienen condensadores de entrada relativamente cómodos y condensadores de salida exigentes, y por eso su rizado de salida suele ser peor que el de un buck equivalente.

La función de transferencia y la corriente

Aplica el mismo razonamiento de régimen permanente de la lección 1. La subida durante la conducción iguala a la bajada:

VIN · t_on = (VOUT − VIN) · t_off

que se reordena como:

VOUT = VIN / (1 − D)

Para 5 V de entrada y 12 V de salida:

1 − D = VIN / VOUT = 5 / 12 = 0,4167 D = 0,5833

El interruptor está cerrado alrededor del 58 % del tiempo.

Y ahora la parte que importa. Sin pérdidas, la potencia de entrada iguala a la de salida:

VIN · I_IN = VOUT · I_OUT

Así que para una carga de 1 A a 12 V desde una entrada de 5 V:

I_IN = (12 × 1) / 5 = 2,4 A

La corriente de entrada es 2,4 veces la de salida. Añade un rendimiento realista del 90 % y sube hasta unos 2,67 A. La bobina lleva esa corriente de entrada de forma continua, no el amperio que estás entregando.

Éste es el número que pilla a la gente. Alguien dimensiona la bobina para «1 A de salida», elige una pieza de 1,2 A y luego se pregunta por qué se calienta y satura. La bobina de un boost lleva la corriente de entrada, que siempre es la mayor.

Lo que cuesta

Tres consecuencias que conviene conocer antes de elegir un boost.

La fuente tiene que poder darla. Un puerto USB, una pila de botón o una fuente limitada en corriente tienen que entregar esa corriente de entrada mayor, no la de salida. Un boost que funciona en el banco con una fuente de laboratorio puede hundir la alimentación real.

El ciclo de trabajo tiene límites. Según crece la relación necesaria, D se acerca a 1 y el tiempo de no conducción se vuelve muy corto. El rectificador tiene cada vez menos tiempo para transferir la energía, así que las corrientes de pico se disparan. Las relaciones de subida grandes con una sola etapa boost acaban siendo poco eficientes y luego impracticables, y por eso las relaciones grandes suelen usar otra topología.

Hay un camino de la entrada a la salida con el interruptor abierto. A través de la bobina y el rectificador, la entrada está conectada a la salida siempre que el convertidor no esté conmutando. Un boost no puede desconectar su carga, no puede limitar por sí solo la corriente de arranque y no puede proteger a la carga de una sobretensión de entrada. Si tu diseño necesita alguna de esas cosas, son circuitería aparte.

Por qué «sólo multiplica la tensión» es un mal modelo

El modelo mental útil no es un multiplicador de tensión sino una cadena de cubos. En cada ciclo la bobina recoge un paquete de energía de la entrada y se lo pasa al condensador de salida. La tensión de salida es el resultado de equilibrar el ritmo al que llegan esos paquetes contra el ritmo al que la carga retira carga.

Ese modelo predice los comportamientos que el otro se deja:

• El rizado de salida depende de cuánta carga retira la carga entre paquetes,

así que empeora con carga alta y con frecuencia baja.

• La respuesta a transitorios está limitada, porque el convertidor no puede

entregar energía extra hasta que llegue el paquete del ciclo siguiente.

• Un escalón de carga más rápido que la bobina deja al condensador de salida

apañándoselo solo hasta que responde el lazo.

Cuándo es un boost la respuesta correcta

Es la herramienta adecuada cuando la entrada está de verdad siempre por debajo de la salida y la corriente es moderada: un raíl de sensores desde batería, una alimentación de polarización, una tira de retroiluminación, un raíl auxiliar a partir de uno más bajo que ya existe.

Es la herramienta equivocada cuando la entrada puede cruzar la salida, que es la lección 3, o cuando la relación es lo bastante grande como para llevar el ciclo de trabajo cerca de su límite.

Lo que viene después

La lección 3 toma el caso que el boost no puede resolver: una entrada que a veces está por encima y a veces por debajo de la salida, que es la situación normal con una batería.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage (SLVA372) — informe de aplicación, ciclo de trabajo y corrientes de la etapa de potencia boost.
• Analog Devices: Selecting the Right Inductor Current Ripple — artículo técnico, corriente de bobina y rizado en distintas topologías.
• Texas Instruments: hoja de características del controlador boost LM5156 — hoja de características, procedimiento de diseño de una etapa boost con sus límites de ciclo de trabajo.