Buck-boost: tres circuitos distintos con un solo nombre

Una celda de litio va de unos 4,2 V cargada a unos 3,0 V vacía. Necesitas 3,3 V. Durante la primera parte de la descarga tienes que bajar tensión, y durante la última tienes que subirla.

Ni un buck ni un boost pueden con eso. Para esta situación existe el buck-boost, y «buck-boost» no es un circuito. Es una familia, y sus miembros se comportan de forma lo bastante distinta como para que elegir mal sea un error de diseño de verdad.

Respuesta rápida. Usa un buck-boost cuando la entrada pueda estar por encima y por debajo de la salida. La topología inversora es la más simple y da una salida negativa. La no inversora de cuatro interruptores da salida positiva y es lo que usan casi todas las piezas integradas modernas. El SEPIC y topologías parecidas de una bobina reparten de otra manera el rendimiento y la complejidad. Lo decide el requisito, no la preferencia.

Las tres que te vas a encontrar

Buck-boost inversor. El circuito clásico de libro. Un interruptor, una bobina, un diodo y una salida cuya polaridad está invertida respecto a la entrada. De +5 V te da −5 V, o −12 V, con la magnitud que fije el ciclo de trabajo.

Es realmente útil cuando necesitas un raíl negativo, que es algo que las etapas analógicas piden a menudo. No sirve de nada si querías +3,3 V, y de vez en cuando alguien monta uno esperando salida positiva. Su interruptor además tiene que aguantar VIN + |VOUT|, que es más que cualquiera de los dos raíles por separado.

Buck-boost no inversor de cuatro interruptores. Cuatro transistores alrededor de una bobina. Según cómo esté la entrada respecto a la salida, el controlador hace funcionar el conjunto como buck, como boost o alternando entre los dos cerca de la zona de cruce.

Esto es lo que son casi todas las piezas integradas de buck-boost modernas. Da salida positiva, aguanta entrada por encima y por debajo de la salida y es eficiente en las dos regiones. Lo paga en número de piezas, en un controlador más complicado y en un comportamiento cerca de la transición que conviene comprobar en el banco en vez de darlo por supuesto.

SEPIC. Dos bobinas, o un par acoplado, y un condensador de acoplamiento. Da salida positiva desde una entrada por encima o por debajo, con el interruptor referenciado a masa, lo que simplifica el ataque.

Su atractivo es la sencillez de control. Lo paga en el condensador de acoplamiento, que lleva una corriente eficaz considerable y es una elección de componente por derecho propio, y en un rendimiento normalmente menor que el de un diseño de cuatro interruptores. Aparece mucho en alimentación industrial de entrada ancha.

Qué lo decide de verdad

Seis preguntas, en el orden en que suelen resolverlo.

¿La entrada cruza de verdad la salida? Si siempre está por encima, un buck. Siempre por debajo, un boost. Muchos diseños especifican buck-boost por prudencia y lo pagan en rendimiento y en superficie. Comprueba la entrada mínima real, no el mínimo de hoja de la química de la batería.

¿Qué polaridad necesitas? Un raíl negativo apunta directamente a la topología inversora.

¿Cuánta corriente? La de cuatro interruptores aguanta mejor corrientes altas. En decenas de miliamperios las diferencias se encogen y gana la sencillez.

¿Qué margen de rendimiento hay cerca del cruce? Las piezas de cuatro interruptores pasan por una región en la que hacen los dos trabajos, y ahí el rendimiento baja. Si tu entrada se queda en ese punto la mayor parte de la vida del producto, mídelo en lugar de fiarte de una curva medida en otro sitio.

¿Cuánta superficie hay? El SEPIC necesita dos componentes magnéticos o una bobina acoplada, más un condensador con rizado de verdad. El de cuatro interruptores necesita una bobina y un integrado mayor.

¿Qué tolera la carga durante las transiciones? Pasar de modo buck a modo boost no es instantáneo. Las hojas de características enseñan el comportamiento; que importe o no depende de la carga.

Una comparación, dicha con honestidad

Toma la columna de rendimiento como una tendencia, no como una especificación. Los números reales dependen de las piezas y del punto de trabajo, y la única cifra que vale para un diseño es la de la hoja del dispositivo que vas a usar, a tu tensión de entrada y con tu carga.

La parte que se entiende mal

Un buck-boost de cuatro interruptores no es un buck que además sube tensión. Cerca de la zona de cruce está haciendo algo cualitativamente distinto, y de ahí salen tres cosas:

• El rizado de entrada y de salida suele ser peor ahí que en cualquiera de

los dos modos puros.

• El lazo se comporta distinto en cada modo, así que la estabilidad tiene que

aguantar en los dos y en la transición.

• El rendimiento tiene un valle local, que importará o no según dónde se

siente tu entrada.

Nada de eso es un argumento contra la topología. Es un argumento a favor de leer las curvas de caracterización del propio dispositivo en tu punto de trabajo real, en lugar de la cifra de rendimiento de la portada.

Lo que viene después

La lección 4 se aparta de la topología para mirar un parámetro que afecta a todas: la frecuencia de conmutación, y qué cambia de verdad al subirla.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: Basic Calculation of a Buck-Boost Converter's Power Stage (SLVA535) — informe de aplicación, relaciones de la etapa de potencia buck-boost.
• Analog Devices: hoja de características del LT8390, buck-boost de cuatro interruptores — hoja de características, funcionamiento de cuatro interruptores y zona de transición.
• Texas Instruments: AN-1484 Designing a SEPIC Converter (SNVA168) — nota de aplicación, procedimiento de diseño de un SEPIC y esfuerzos en los componentes.