Cómo funciona de verdad un convertidor buck

Un regulador lineal saca 3,3 V de 12 V convirtiendo los otros 8,7 V en calor. A 2 A eso son 17,4 W calentando, que es la razón por la que nadie lo hace.

Un convertidor buck saca ese mismo raíl conectando la salida a 12 V durante una parte del tiempo y a 0 V el resto, y promediando después el resultado con una bobina y un condensador. No hay nada que disipe la diferencia porque no hace falta: la energía se almacena y se suelta, no se quema.

Todo lo demás del curso sale de entender bien esos dos estados.

Respuesta rápida. Un convertidor buck conmuta su entrada y filtra la onda cuadrada resultante con una bobina y un condensador. Con el interruptor cerrado, la corriente va de la entrada por la bobina hasta la carga y la bobina almacena energía. Al abrirse, la bobina mantiene esa corriente circulando por un segundo interruptor o un diodo hasta masa. La salida se queda cerca de la tensión de entrada multiplicada por la fracción de tiempo que el interruptor está cerrado.

Los dos estados

Tres componentes llevan la corriente: un interruptor de lado alto desde la entrada, un interruptor de lado bajo o un diodo hacia masa, y una bobina desde la unión de ambos hasta la salida. Esa unión es el nodo de conmutación, y la lección 9 va entera sobre él.

Interruptor cerrado. La bobina tiene la tensión de entrada en un extremo y la de salida en el otro. La tensión sobre ella es VIN − VOUT, que es positiva, así que su corriente sube. Esa corriente va a la carga y al condensador de salida. También sale corriente del condensador de entrada, lo cual importa muchísimo y es la lección 6.

Interruptor abierto. La corriente de la bobina no puede pararse de golpe, porque pararla exigiría una tensión infinita. Sigue circulando en el mismo sentido, y el dispositivo de lado bajo le da el camino de vuelta desde masa. Ahora la bobina tiene la tensión de salida con el signo contrario, así que la corriente baja.

Dos cosas que conviene fijar, porque son el origen de casi toda la confusión posterior:

• La corriente de la bobina no se invierte en funcionamiento normal. Sube,

baja y vuelve a subir alrededor de una media igual a la corriente de carga.

• La corriente de entrada está troceada: sólo circula mientras el

interruptor de lado alto está cerrado. La de salida es continua. Esa asimetría es la razón entera de que el condensador de entrada tenga un trabajo más duro que el de salida.

De dónde sale el ciclo de trabajo

En régimen permanente la corriente de la bobina termina cada ciclo donde lo empezó. Si no, crecería sin límite. Esa única condición te da la función de transferencia sin más teoría.

La subida durante el tiempo de conducción tiene que igualar a la bajada durante el resto:

(VIN − VOUT) · t_on = VOUT · t_off

Divides por el periodo, reordenas y, con D = t_on / T:

VOUT = VIN · D

Para 12 V de entrada y 3,3 V de salida:

D = VOUT / VIN = 3,3 / 12 = 0,275

O sea que el interruptor está cerrado en torno al 27,5 % de cada ciclo. A una frecuencia de conmutación de 500 kHz el periodo es de 2 µs, así que el tiempo de conducción ronda los 550 ns.

Ésa es la relación ideal. Un convertidor real necesita un tiempo de conducción algo mayor, porque los interruptores tienen resistencia y la bobina la suya, y esas caídas hay que reponerlas. Para una primera estimación la expresión ideal se acerca lo suficiente, y saber que el ciclo real queda un poco por encima suele ser toda la corrección que hace falta.

Para qué está la bobina

Se suele decir que la bobina «suaviza» la salida. Es cierto, pero tapa lo que de verdad está pasando, que es una transferencia de energía.

Una bobina se opone a los cambios de corriente. Le pones una tensión y la corriente sube en rampa en vez de dar un salto, a un ritmo di/dt = V / L. Durante el tiempo de conducción el convertidor está metiendo energía en el campo magnético de la bobina. Durante el resto se la saca y la entrega a la salida.

El condensador es la otra mitad. La corriente de la bobina es una onda triangular y la carga quiere corriente constante. El condensador absorbe la diferencia: se carga un poco cuando la bobina entrega más de lo que la carga pide y se descarga cuando entrega menos. Esa pequeña carga y descarga es el rizado de tensión de salida, que calcula la lección 7.

Conducción continua y discontinua

Con carga razonable, la corriente de la bobina se mantiene por encima de cero durante todo el ciclo. Es un triángulo montado sobre un nivel de continua. Esto es conducción continua, y es el caso que suponen todas las cuentas de arriba.

Baja bastante la carga y la corriente media acaba siendo menor que la mitad del rizado. La corriente tendría que hacerse negativa durante parte del ciclo para que el triángulo siguiera centrado. Con un diodo en el lado bajo no puede, porque un diodo conduce en un solo sentido. La corriente llega a cero y se queda ahí hasta el ciclo siguiente. Esto es conducción discontinua.

Dos consecuencias prácticas:

• En conducción discontinua VOUT = VIN · D deja de valer. El ciclo de

trabajo necesario para una salida dada pasa a depender de la carga, y el controlador lo ajusta por ti.

• Un convertidor con rectificación síncrona, es decir con un transistor en

vez de un diodo en el lado bajo, sí puede dejar que la corriente se invierta. Muchas piezas ofrecen los dos comportamientos y pasan a un modo que salta pulsos con poca carga, para no gastar energía empujando corriente hacia atrás.

No hace falta diseñar para conducción discontinua en una tarjeta normal. Sí hace falta reconocerla, porque un convertidor que va bien a plena carga y se comporta de forma rara a 50 mA suele haber entrado en ella.

Lo que esto ya te dice

Antes de elegir un solo componente, los dos estados te han dicho dónde están las corrientes difíciles.

• El lazo que lleva corriente troceada es condensador de entrada, interruptor

de lado alto, dispositivo de lado bajo y vuelta. Ese lazo ve el flanco de conmutación entero. Hacerlo diminuto es la lección 6.

• El nodo de conmutación oscila entre casi la tensión de entrada y casi masa,

al ritmo que dé el dispositivo. Es el agresor de todos los problemas de acoplamiento de la tarjeta, que es la lección 9.

• La bobina lleva la corriente de carga más un rizado triangular encima, y

las dos partes importan al elegirla, que es la lección 5.

Lo que viene después

La lección 2 hace el mismo análisis con un convertidor boost, donde la salida es mayor que la entrada y la consecuencia incómoda es lo que le pasa a la corriente de entrada.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Analog Devices: Buck Power Stage Design Equations — nota de aplicación, relaciones en régimen permanente de la etapa de potencia buck.
• Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, descripción del funcionamiento y del lazo de entrada que señala como el más crítico.
• Analog Devices: Selecting the Right Inductor Current Ripple — artículo técnico, comportamiento de la corriente de bobina en los distintos modos de conducción.
• onsemi: LC Selection Guide for the DC-DC Synchronous Buck Converter (AND9135) — nota de aplicación, funcionamiento del buck síncrono y papel de cada interruptor.