Los convertidores de CC/CC conectan la entrada de 48 V con cargas industriales de 12 V para aumentar la eficiencia y la densidad de potencia.

Los convertidores de voltaje de CC/CC se encuentran dondequiera que el voltaje de entrada, como el suministrado por una batería o una fuente de alimentación externa, difiera del voltaje necesario para los componentes del sistema, a menudo denominados puntos de carga (POL). Los productos electrónicos de consumo, como los teléfonos móviles, utilizan convertidores de CC/CC para proporcionar un voltaje constante a los componentes internos a medida que la batería se descarga y el voltaje de alimentación cae.

Los convertidores de voltaje de CC/CC en aplicaciones industriales funcionan a voltajes más altos que los de los teléfonos móviles, pero su función es la misma. Ajustan el voltaje de alimentación para que pueda utilizarse en aplicaciones de centros de datos, como ventiladores, tarjetas de interfaz de red, unidades de disco duro y servidores de IA. Los convertidores de CC/CC también se utilizan para proporcionar el voltaje correcto para pantallas LED, automatización industrial y robótica, y equipos de prueba automáticos.

Estas aplicaciones, que a menudo están diseñadas para fuentes de alimentación de 12 V, ofrecen la fiabilidad probada que exigen sus industrias, pero requieren convertidores de CC/CC cuando se conectan a redes de distribución de potencia (PDN) industriales que funcionan a un voltaje diferente. Este artículo revisará por qué los ingenieros eligen convertidores de CC/CC, cómo funcionan y las características y opciones de implementación que los ingenieros deben considerar al seleccionar un convertidor de CC/CC para una aplicación determinada.

La ventaja de los 48 V

A medida que los sistemas electrónicos siguen evolucionando hacia mayores requisitos de potencia, los diseñadores de centros de datos, aplicaciones industriales y de fabricación avanzada y aplicaciones militares y productos COTS (comerciales en serie) resistentes eligen cada vez más las PDN de 48 V para distribuir la potencia a los componentes del sistema. Estas PDN son eléctricamente eficientes mientras mantienen el voltaje bajo de forma segura.

Cada dispositivo alimentado o PoL tiene su propio requisito de vatios. Debido a que la potencia eléctrica se define como el producto del voltaje y la corriente, aumentar el voltaje de alimentación reduce la corriente necesaria. Las corrientes requeridas en una PDN de 48 V son una cuarta parte de lo que serían en una PDN de 12 V operando a los mismos niveles de potencia. Las corrientes más pequeñas permiten conductores y conectores de menor diámetro y una mayor densidad de conductores, al tiempo que reducen las pérdidas de cableado, la interferencia electromagnética y la generación de calor.

Un potencial de 48 V se considera dentro de los niveles de voltaje extra bajo de seguridad (SELV) según las normas industriales como la IEC 62368-1. Esto significa que los niveles de voltaje del sistema permanecen seguros para el contacto humano en todo momento, incluso en un estado de falla única. Los sistemas que cumplen con los criterios SELV no necesitan salvaguardas adicionales para proteger al personal de voltajes peligrosos.

Estas ventajas están impulsando la adopción generalizada de las PDN de 48 V, pero muchos dispositivos POL están diseñados para funcionar desde una fuente de alimentación de 12 V. En vez de rediseñar estos componentes, que ya han demostrado su fiabilidad y rentabilidad a 12 V, los ingenieros de diseño añaden una etapa de conversión de CC/CC para conectar la PDN de 48 V a un bus de 12 V o POL.

Diseño de convertidor de CC/CC

Los diseños de convertidores de CC/CC incluyen reguladores lineales y reguladores de conmutación, también conocidos como convertidores de CC/CC en modo interruptor. Los reguladores lineales utilizan transistores de potencia que actúan como resistencias variables para lograr el voltaje de salida objetivo, disipando el exceso de voltaje en forma de calor. Aunque son de diseño simple, su baja eficiencia los hace poco prácticos en aplicaciones con grandes caídas de voltaje.

Un convertidor de CC/CC de modo conmutación almacena temporalmente la energía en el campo magnético de un inductor mientras transfiere potencia de la entrada a la salida. Un interruptor de estado sólido, como un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET), se enciende y apaga rápidamente para controlar la cantidad de energía almacenada en el inductor y la cantidad transferida a la salida. Un controlador compara continuamente el voltaje de salida del convertidor con un valor nominal y ajusta la temporización del interruptor MOSFET para lograr el voltaje de salida deseado.

A pesar de la rápida conmutación del MOSFET, este sigue pasando la mayor parte del tiempo en estados totalmente encendido y totalmente apagado, en los cuales no se pierde energía. La pequeña cantidad de energía perdida durante el proceso de conmutación implica una eficiencia superior al 95% en muchas aplicaciones. Por el contrario, un regulador lineal que convierte un suministro de 48 V a un suministro de 12 V solo tiene una eficiencia del 25%.

La configuración real de estos componentes depende de si el convertidor está reduciendo el voltaje (reductor), elevándolo (elevador) o si se espera que realice ambas funciones (reductor-elevador). En cualquier configuración, el controlador del convertidor gestiona la conmutación para tener en cuenta las variaciones en el voltaje de entrada o la carga, y un capacitor de salida suaviza las ondulaciones de voltaje para obtener una salida de CC estable y regulada.

Un ejemplo de este tipo de convertidor de modo conmutación es la serie DCM3717 de Vicor Corporation. Estos convertidores de CC/CC (Figura 1) combinan una configuración reductora/elevadora con arquitecturas patentadas adicionales para puentear eficientemente las PDN de 48 V a cargas de 12 V.

Figura 1: Los convertidores reductores/elevadores de CC/CC regulados y no aislados DCM3717 de Vicor Corporation puentean las PDN de 48 V a cargas de 12 V con una eficiencia de hasta el 96.5%. (Fuente de la imagen: Vicor Corporation)

Los convertidores no aislados DCM3717 tienen un rango de entrada semirregulado de 40 V a 60 V. No se requiere un aislamiento galvánico real en la mayoría de las aplicaciones de PDN porque el aislamiento se proporciona donde la potencia entra en el sistema y porque la entrada y la salida utilizan habitualmente la misma puesta a tierra del chasis. Los convertidores DCM3717 tienen una salida regulada ajustable entre 10 V y 12.5 V, manejan corrientes de hasta 82 A y tienen una potencia de salida de 750 W o 1 kW.

Los convertidores DCM3717 logran eficiencias de hasta el 96.5% utilizando una arquitectura de conmutación de voltaje cero (ZVS). Los circuitos con conmutación de voltaje cero (ZVS) se configuran de modo que los MOSFET se activen cuando el voltaje a través de ellos esté próximo a cero. Esta técnica minimiza las pérdidas de conmutación, lo que permite un funcionamiento a alta frecuencia con componentes magnéticos más pequeños que admiten una mayor densidad de potencia.

Después de la etapa de conversión reductora-elevadora y el capacitor de salida, los convertidores DCM3717 transfieren potencia de manera eficiente a la salida utilizando circuitos patentados de convertidor de amplitud sinusoidal (SAC). Estos circuitos resonantes generan formas de onda sinusoidales de corriente y voltaje, lo que reduce aún más las pérdidas de conducción y conmutación.

Implementación de la eficiencia

Además de su arquitectura que aumenta la eficiencia, los convertidores DCM3717 tienen un factor de forma que admite altas densidades de potencia. El convertidor integrado en el encapsulado (SM-ChiP) con montaje en superficie mide 36.70 mm de largo por 17.30 mm de ancho por 5.20 mm de alto (figura 2). Ocupa aproximadamente la mitad del área de la placa de circuito impreso (placa CI) de los convertidores de conmutación convencionales en encapsulados en formato de 1/8 brick. Al elegir convertidores DCM3717 más compactos, los ingenieros pueden acortar las trayectorias de potencia, reducir la resistencia y la inductancia parásitas y mejorar el flujo de aire, todo lo cual favorece mayores densidades de potencia del sistema.

Figura 2: Los convertidores DCM3717 admiten altas densidades de potencia con su factor de forma compacto, lo que permite a los diseñadores acortar las rutas de alimentación y mejorar el flujo de aire. (Fuente de la imagen: Vicor Corporation)

El uso de tecnología de montaje en superficie (SMT) en los convertidores DCM3717 contribuye al encapsulado compacto, especialmente en comparación con los pines de orificio pasante o las placas base necesarios para conectar los bloques convertidores a una placa CI. La SMT también mejora la eficiencia de fabricación al aprovechar procesos de ensamblaje automatizados de recogida y colocación repetibles y al minimizar el ensamblaje manual.

Los ingenieros también pueden integrar escalabilidad en sus sistemas con la capacidad de conexión en paralelo de los convertidores DCM3717. Su circuito de reparto de corriente puede admitir hasta cuatro unidades funcionando en paralelo, lo que brinda a los ingenieros mayor flexibilidad en el diseño de placa CI y la gestión térmica. Por ejemplo, una PDN de 48 V podría albergar cuatro unidades DCM3717 en paralelo, cada una de las cuales proporciona 1 kW de potencia a un bus de 12 V que alimenta múltiples PoL de 12 V o convertidores de tensión CC/CC adicionales.

Los convertidores DCM3717 también están equipados con telemetría compatible con el bus de administración de potencia (PMBus). Este sistema permite a un controlador monitorear voltajes, corrientes, temperaturas y fallos durante las operaciones del convertidor, lo que permite el uso de sistemas de administración inteligente de la energía. La telemetría de PMBus puede proporcionar a los ingenieros los datos que necesitan para diagnosticar y responder a anomalías como picos repentinos de carga.

Conclusión

Los convertidores de CC/CC, como los convertidores regulados y no aislados DCM3717 de Vicor Corporation, sirven de puente entre redes de suministro eléctrico (PDN) de 48 V seguras y eficientes con buses de 12 V y POL fiables y bien conocidos en aplicaciones de centros de datos, automatización industrial y TEST automatizadas. La alta eficiencia que pueden alcanzar estos convertidores de CC/CC, especialmente cuando la arquitectura del convertidor en modo conmutación elevador-reductor se combina con circuitos resonantes que optimizan la conmutación y la transferencia de potencia, complementa la eficiencia de energía y la densidad de potencia disponibles con las PDN de 48 V.