Frecuencia de conmutación: qué cambia de verdad
Doblar la frecuencia parte la bobina por la mitad y dobla una pérdida que estabas ignorando.
- Lección 4 de 10
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La frecuencia de conmutación es el parámetro que toca todo lo demás. La cambias y cambia la bobina, cambian los condensadores, cambian las pérdidas, cambia el diseño térmico y se mueve el perfil de EMI.
Es además el parámetro que más veces se elige por accidente, porque la pieza venía con un valor por defecto y nadie preguntó.
Respuesta rápida. Subir la frecuencia de conmutación encoge los componentes pasivos, más o menos en proporción, porque cada ciclo mueve menos energía. También sube las pérdidas de conmutación, que escalan con la frecuencia, y desplaza el espectro de ruido hacia arriba. Bajar la frecuencia significa magnéticos más grandes y mejor rendimiento de conmutación. No hay respuesta universal, porque lo correcto depende de qué restricción te aprieta a ti.
Qué se hace más pequeño
La inductancia necesaria para un rizado dado es inversamente proporcional a la frecuencia. De la relación del buck:
L = VOUT · (1 − D) / (ΔIL · fsw)
Toma el ejemplo que recorre este curso: 12 V de entrada, 3,3 V de salida, 2 A de carga, con un objetivo de rizado del 30 %, así que ΔIL = 0,6 A y D = 0,275.
A 500 kHz:
L = 3,3 × 0,725 / (0,6 × 500 000) = 7,98 µH
A 2 MHz:
L = 3,3 × 0,725 / (0,6 × 2 000 000) = 1,99 µH
Cuatro veces la frecuencia, la cuarta parte de la inductancia. En la práctica eso es una pieza visiblemente más pequeña, normalmente de menos altura, y muchas veces más barata.
La capacidad de salida se comporta parecido. La contribución del condensador al rizado es ΔIL / (8 · fsw · C), así que para el mismo rizado de tensión necesitas proporcionalmente menos capacidad según sube la frecuencia, con la salvedad de que la contribución de la ESR no se encoge igual. Cómo se comporta con la frecuencia la impedancia del propio condensador es el asunto de la lección sobre granel y cerámico del curso de integridad de alimentación.
Éste es el argumento que vende los convertidores de alta frecuencia, y es cierto.
Qué empeora
Las pérdidas de conmutación escalan con la frecuencia. Cada transición cuesta energía: el solape de tensión y corriente mientras el interruptor cambia de estado, la energía de la carga de puerta y la almacenada en la capacidad del propio nodo de conmutación. Son pérdidas por transición, así que doblar la frecuencia las dobla más o menos.
Las pérdidas de conducción no cambian con la frecuencia. Según subes, el reparto pasa de estar dominado por conducción a estarlo por conmutación, y en algún punto el rendimiento cae pese a que todo lo demás ha mejorado.
El problema térmico se concentra. La pérdida de conmutación ocurre dentro del integrado o de los transistores, no repartida por la tarjeta. Un diseño con un 2 % menos de rendimiento puede meter casi todo ese calor extra en un encapsulado pequeño.
El tiempo muerto y el tiempo mínimo de conducción empiezan a molestar. A 500 kHz con D = 0,275 el tiempo de conducción ronda los 550 ns. A 2 MHz el periodo es de 500 ns y el mismo ciclo de trabajo da unos 137 ns. Los controladores tienen un tiempo mínimo de conducción controlable, y si el que necesitas se le acerca, el convertidor empieza a saltar pulsos o a comportarse de forma irregular. Tensión de entrada alta con salida baja es justo el caso que llega antes.
El espectro se mueve. Un fundamental más alto significa que los armónicos que importan caen en otras zonas del espectro de EMC. Eso no es automáticamente peor, a veces es mejor, pero nunca es neutro. Si hay una radio en la tarjeta, la relación entre su banda y los armónicos del convertidor es algo que conviene comprobar en vez de descubrir.
El intercambio, puesto en una tabla
| Al subir fsw | Efecto |
|---|---|
| Inductancia para el mismo rizado | baja, más o menos en proporción |
| Capacidad de salida para el mismo rizado | baja, salvo el término de ESR |
| Pérdidas de conmutación | suben, más o menos en proporción |
| Pérdidas de conducción | sin cambio |
| Tiempo de conducción necesario | baja, hacia el mínimo del controlador |
| Tamaño del componente magnético | baja |
| Espectro de ruido | se desplaza hacia arriba |
| Concentración de calor en el integrado | sube |
Nada de esa tabla es una recomendación. Es una lista de qué se mueve y en qué sentido, para que veas cuál es la fila que te limita a ti.
Cómo elegir de verdad
La mayoría de las veces la respuesta honesta es que eligió la pieza. Muchos reguladores integrados tienen la frecuencia fija por dentro, y tu elección se hizo al elegir el integrado. Eso está bien, siempre que sepas qué aceptaste.
Cuando es ajustable, trabaja desde la restricción que aprieta:
- ¿Limitado de altura? Sube y consigue una bobina más plana.
- ¿Rendimiento crítico a carga alta? Baja, donde las pérdidas de
conmutación pesan menos.
- ¿Hay una radio o una banda analógica sensible en la tarjeta? Elige una
frecuencia cuyos armónicos la eviten, y mira varios armónicos y no sólo el fundamental.
- ¿Relación de bajada grande? Comprueba el tiempo mínimo de conducción
antes que nada. Esa restricción va a decidir por ti, te guste o no.
- ¿Varios convertidores en la misma tarjeta? Hacerlos funcionar a la
misma frecuencia, o a frecuencias separadas a propósito, cambia si su ruido se suma en fase. Algunos dispositivos admiten sincronización justo para esto.
La afirmación que conviene rechazar
«Más frecuencia de conmutación es mejor» es un argumento de ventas, no de ingeniería. Es mejor para el tamaño de los componentes y peor para las pérdidas de conmutación, y cuál de las dos cosas importa es una propiedad de tu producto, no de los convertidores en general.
Lo mismo al revés. Un convertidor de 100 kHz no es más robusto por ser lento. Es más grande, y tiene menos pérdidas de conmutación, y que eso sea un buen intercambio depende de lo que estés construyendo.
Lo que viene después
La lección 5 coge el número de inductancia que ha salido aquí y lo convierte en una pieza real, con las cuatro corrientes que hay que comprobar y las cuentas hechas enteras.
Fuentes y lecturas recomendadas
- Texas Instruments: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage (SLVA477) — informe de aplicación, relaciones de inductancia y rizado usadas aquí.
- Analog Devices: Selecting the Right Inductor Current Ripple — artículo técnico, efecto de la elección de rizado sobre tamaño y pérdidas.
- Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, tiempo mínimo de conducción y sus consecuencias en relaciones de bajada grandes.
- Texas Instruments: Power Supply Design Seminar, mecanismos de pérdidas (SLUP340) — ponencia, reparto entre pérdidas de conmutación y de conducción.