El condensador de entrada y el lazo caliente

En un convertidor buck hay exactamente un lazo por el que circula una onda cuadrada de corriente. No una versión suavizada. Una onda cuadrada de verdad, que pasa de cero a toda la corriente de la bobina y vuelve, cientos de miles de veces por segundo.

Ese lazo va del condensador de entrada, por el interruptor de lado alto, hasta la bobina, y vuelve al condensador por masa. Se le llama lazo caliente, y su tamaño físico hace más a favor o en contra de tu tarjeta que casi cualquier otra decisión de layout.

Respuesta rápida. Tan cerca como sea físicamente posible, con la conexión más corta y ancha que permita la huella. El condensador de entrada suministra la corriente pulsada que pide el interruptor, y el lazo entre los dos tiene una inductancia proporcional a su área. Esa inductancia convierte el flanco de conmutación en picos de tensión sobre el raíl de entrada y hace del lazo un radiador eficiente. La cercanía en el esquema no significa nada: lo único que cuenta es el cobre.

Por qué la corriente es pulsada

La lección 1 dejó clara la asimetría. Mientras el interruptor de lado alto está cerrado, la corriente va de la entrada a la bobina. Mientras está abierto, el lado de entrada no lleva absolutamente nada.

Así que la entrada de un buck no consume corriente constante. Consume toda la corriente de la bobina durante una fracción D de cada ciclo y cero el resto. La fuente de más arriba no puede suministrar eso, porque el cableado hasta ella tiene inductancia y no puede cambiar de corriente deprisa. Algo cercano tiene que dar los pulsos, y ese algo es el condensador de entrada.

Es el mismo razonamiento que el desacoplo de un integrado digital, y es la misma geometría. Si hiciste el curso de integridad de alimentación, la lección sobre qué hace un condensador de desacoplo está describiendo esta situación con un transitorio más pequeño.

Cuánta corriente lleva

El condensador de entrada lleva la diferencia entre la corriente constante que se toma de la fuente y la corriente pulsada que pide el interruptor. El valor eficaz de esa diferencia, para un buck en conducción continua, es:

I_CIN(RMS) = I_OUT · √(D · (1 − D))

Para el ejemplo del curso, 12 V a 3,3 V con 2 A, así que D = 0,275:

I_CIN(RMS) = 2 × √(0,275 × 0,725) I_CIN(RMS) = 2 × √0,1994 I_CIN(RMS) = 2 × 0,4465 I_CIN(RMS) = 0,893 A

Casi 900 mA eficaces por el condensador de entrada, para entregar 2 A a la salida. Eso no es un error de redondeo, y por eso la corriente de rizado admisible del condensador de entrada es un criterio de selección real y no un trámite.

La expresión tiene su máximo en D = 0,5, donde vale la mitad de la corriente de salida:

I_CIN(RMS) = 2 × √(0,5 × 0,5) = 2 × 0,5 = 1,0 A

Así que el peor caso para el condensador de entrada es una salida a la mitad de la tensión de entrada. Un convertidor de 12 V a 5 V castiga más su condensador de entrada que uno de 12 V a 3,3 V con la misma carga, y eso no se ve en el esquema.

Por qué la distancia se convierte en tensión

El lazo tiene inductancia. Una corriente que cambia a di/dt por una inductancia L produce una tensión V = L · di/dt, y los dos términos son aquí poco amistosos.

El salto de corriente es toda la corriente de la bobina, unos 2 A en este ejemplo. El tiempo de transición es el que consiga el interruptor, habitualmente unos pocos nanosegundos en una pieza moderna. Dos amperios en cinco nanosegundos son 4 × 10⁸ A/s.

Por una inductancia de lazo incluso pequeña, eso produce un pico de tensión considerable. Un lazo de unos pocos nanohenrios, que es lo que cuestan unos milímetros de separación de más, se traduce en voltios de sobreoscilación en el pin de entrada.

De ahí salen tres consecuencias:

• El nodo de conmutación campanillea. La sobreoscilación castiga al

interruptor y puede superar su valor máximo absoluto.

• El lazo radia. Un lazo recorrido por una onda cuadrada de corriente con

flancos rápidos es una antena magnética eficiente, y su eficacia crece con el área que encierra.

• El raíl de entrada se ensucia. El pico aparece en el raíl que alimenta

todo lo demás que cuelgue de esa fuente.

La magnitud que hace el daño es la que el curso de integridad de alimentación llama inductancia de lazo, y aquí la fija el área encerrada exactamente igual que allí.

Qué significa «cerca» en la práctica

Texas Instruments señala el lazo del condensador de entrada y la masa de potencia como la característica de PCB más crítica de un buck, y la guía de sus hojas de características es consistente: coloca los condensadores de entrada lo más cerca posible de los pines de entrada y masa, con pistas anchas y cortas y el menor área de lazo posible.

En concreto, con un regulador integrado moderno:

• El condensador cerámico de entrada más pequeño va **pegado a los pines del

integrado**, normalmente en la misma cara, con sus pads casi tocando los de entrada y masa del dispositivo.

• Su conexión de masa va a la masa de potencia del dispositivo por el cobre

más corto que haya, no por una vía al plano y vuelta si eso agranda el lazo.

• La capacidad de granel va más lejos. No está en el lazo rápido y no

necesita estarlo, porque se ocupa de variaciones más lentas.

• Las vías dentro del lazo caliente añaden inductancia. Donde el lazo tenga

que cambiar de capa, pon varias vías en paralelo en vez de una.

El orden importa: primero pequeño y cerca, después granel. Un electrolítico de 47 µF en el borde de la tarjeta más un 100 nF en los pines es una etapa de entrada mucho mejor que un 47 µF en los pines y nada más, porque el flanco rápido necesita poca inductancia, no mucha capacidad.

Lo que hace que esto sea invisible

En el esquema, el condensador de entrada está al lado del integrado. Está dibujado ahí mismo, a una red de distancia. Nada en el esquema distingue un layout con un lazo de 2 mm de otro con uno de 20 mm.

Por eso la colocación del condensador de entrada es un punto de revisión de layout y no de esquema, y por eso está en el checklist del curso de masas junto al resto de comprobaciones de caminos de retorno. El lado de vuelta de este lazo es un camino de retorno como cualquier otro, y el mismo razonamiento sobre el área del lazo se le aplica.

Cómo comprobar el tuyo

• Localiza el condensador de entrada, el interruptor de lado alto y el

retorno de masa. Recorre el lazo con el dedo. ¿Cuántos milímetros encierra?

• ¿Es el condensador más pequeño el que está más cerca? Un error habitual es

poner el más grande al lado porque parece más importante.

• ¿Cambia el lazo de capa? Si lo hace, cuenta las vías.
• ¿Comparte el retorno de masa del condensador de entrada con el del divisor

de feedback, o con masa analógica sensible? No debería, y la lección 8 explica por qué.

Lo que viene después

La lección 7 va al otro extremo del convertidor: el condensador de salida, donde la corriente es continua pero los requisitos son más sutiles.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, señala el lazo del condensador de entrada y la masa de potencia como lo más crítico del layout.
• Texas Instruments: hoja de características LM51772 — hoja de características, expresión de la corriente eficaz del condensador de entrada y recomendación de cerámico más granel.
• Texas Instruments: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage (SLVA477) — informe de aplicación, corriente del condensador de entrada en una etapa buck.
• Texas Instruments: hoja de características LMS3655 — hoja de características, corriente eficaz de entrada y elección de dieléctrico.