En este capítulo, aprenderá los fundamentos de la gestión de energía, incluyendo los tipos de circuitos necesarios para diferentes aplicaciones. También aprenderá qué es un circuito integrado de gestión de energía (PMIC) y por qué los versátiles PMIC actuales pueden reemplazar a diversos tipos de reguladores de voltaje.

         
Dominar los conocimientos básicos sobre el suministro eléctrico.
     

El tipo de subsistema de gestión de energía de CC que requiere un dispositivo o sistema electrónico depende de su fuente de alimentación. Entre las posibles fuentes de alimentación se incluyen la corriente alterna (CA), las baterías, la corriente continua (CC) y la corriente continua de ultrabajo consumo (recolección de energía). La gran mayoría de los dispositivos electrónicos alimentados por batería utilizan baterías de iones de litio (Li-ion) o de polímero de litio (LiPo). Un paquete de baterías puede contener varias celdas conectadas en serie o en paralelo. La figura 1-1 muestra algunos ejemplos.

A continuación se muestran el rendimiento de voltaje y corriente para cada configuración de conexión:

• Celdas en seriePuede aumentar el voltaje del paquete de baterías y aumentar la capacidad total del mismo.

• Baterías en paraleloNo puede aumentar el voltaje del paquete de baterías, pero mejorará la capacidad de control de corriente y la capacidad de corriente de todo el paquete de baterías.

• Baterías en serie y en paraleloPuede mejorar simultáneamente las capacidades de control de voltaje y corriente, así como la capacidad de corriente.

         

En algunas aplicaciones alimentadas por batería, los componentes del sistema pueden no ser capaces de utilizar la energía de la batería directamente. Estos componentes pueden requerir un voltaje menor o mayor para funcionar correctamente. Durante el proceso de carga y descarga, el voltaje de la batería también varía. Un convertidor CC-CC puede utilizarse para monitorizar este voltaje de entrada no regulado de la batería y mantenerlo estable. Estos convertidores suelen denominarse reguladores de voltaje porque pueden aumentar, disminuir o regular el voltaje según sea necesario (como se muestra en la Figura 1-2) y, posteriormente, proporcionar el voltaje ajustado a los subcomponentes del sistema.

Los reguladores CC-CC están disponibles en versiones aisladas y no aisladas, dependiendo de si la tierra de entrada está conectada a la tierra de salida:

• Convertidor aisladoSe utiliza para aislar las tensiones de entrada y salida, normalmente mediante transformadores o transmisión de energía capacitiva.

• Convertidor no aisladoExiste una ruta de CC que conecta la tierra de entrada con la tierra de salida, y ambas conexiones de tierra son compartidas.

         

Clasificación de reguladores de voltaje CC-CC
     

Los reguladores de voltaje de CC se dividen en dos categorías según el método de conversión de voltaje utilizado: reguladores lineales y reguladores conmutados. Estos son los dos tipos básicos de reguladores de voltaje que se utilizan en dispositivos electrónicos como cámaras, teléfonos móviles, dispositivos portátiles y ordenadores. Los ingenieros de diseño seleccionarán el regulador de CC adecuado para el diseño de su sistema en función del voltaje de entrada, el voltaje de salida y la corriente requerida.

regulador lineal
   

Los reguladores lineales convierten el voltaje de entrada (V_IN) se convierte en diferentes voltajes de salida (V_OUT), utilizando un componente lineal (es decir, un componente resistivo) para regular la tensión de salida V_OUTCaracterísticas generales de los reguladores lineales:

• Disipar energía eléctrica.

• Para uso con rieles de baja corriente y baja potencia.

• No es eficiente.

• Para fuentes de alimentación de bajo ruido.

• Sus características de baja ondulación y bajo nivel de ruido lo hacen adecuado para circuitos integrados analógicos sensibles, como sensores, bucles de enganche de fase, etc.

Para los reguladores lineales, un tipo importante es el regulador lineal de baja caída de tensión (LDO). en V_INY V_OUTCuando la diferencia es muy pequeña, LDO. Puede generar continuamente V estable._OUT.

Regulador de voltaje conmutado
   

Un regulador conmutado convierte V a través de un elemento de conmutación._INa una V diferente_OUTy utilizar inductores y condensadores externos para estabilizar la tensión de salida V_OUTLos reguladores conmutados suelen ser más eficientes y admiten corrientes de salida más altas que los reguladores lineales. Sin embargo, incluso después de filtrar la salida, persiste el rizado o ruido de conmutación.

Según la relación entre la tensión de entrada y la de salida, los reguladores de conmutación se clasifican de la siguiente manera:

• Regulador de conmutación Buck: V_OUT por debajo de V_IN

• Regulador de conmutación de refuerzo: V_OUT por encima de V_IN

• Regulador de conmutación Buck-Boost: V_OUT Variable, puede ser inferior, superior o igual a V._IN

Las anteriores son las cuatro topologías de reguladores de voltaje que suelen usar los ingenieros de diseño: reguladores LDO y tres reguladores conmutados (reductor, elevador y reductor-elevador). En las siguientes secciones, presentaremos estos cuatro reguladores de voltaje en detalle.

regulador de voltaje LDO
   

Un regulador lineal de baja caída de tensión (LDO) es un regulador lineal de CC que regula el nivel de tensión de salida cuando la tensión de alimentación y la tensión de salida son muy similares. En los LDO, la caída de tensión debe ser lo más pequeña posible para minimizar la disipación de potencia y maximizar la eficiencia del sistema (como se muestra en la Figura 1-3).

         

Los reguladores LDO suelen tener una relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) superior a la de los reguladores conmutados, lo que significa que pueden generar una tensión de salida con bajo nivel de ruido. Generalmente, los reguladores LDO no producen rizado y son muy útiles para reducir el ruido o el rizado de la fuente de alimentación de entrada. Su bajo consumo de corriente en modo de espera los convierte en una excelente solución para aplicaciones portátiles e inalámbricas.

convertidor de moneda
   

aquí Dólarsignifica "reducir" o "debilitar". El convertidor reductor es un regulador de conmutación reducido que genera eficientemente menos de V._IN 的 V_OUTUn circuito reductor contiene un inductor, un transistor de efecto de campo (FET) o diodo conmutado, un condensador y un amplificador de error con un circuito de control de conmutación (como se muestra en la Figura 1-4). El convertidor reductor modifica el tiempo de activación de un transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) y, a continuación, aplica energía al sensor. Los convertidores reductores tienen una alta eficiencia porque el MOSFET está completamente activado o completamente desactivado. Entre los estados de activación y desactivación (impedancia), un convertidor reductor no opera, a diferencia de un regulador lineal.

         

El convertidor reductor genera formas de onda de conmutación en modo de modulación por ancho de pulso (PWM) o en modo de modulación por frecuencia de pulso (PFM), que luego se filtran utilizando componentes de filtro externos de inductor y condensador para producir una tensión de salida suave V_AFUERA.Este método de conversión de voltaje es muy eficiente y puede prolongar la vida útil de la batería, reducir el calor del sistema y disminuir el tamaño del producto.

Los convertidores reductores se utilizan en numerosas aplicaciones que obtienen energía de puertos USB y otros periféricos informáticos. También se emplean en teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos móviles y muchos otros dispositivos electrónicos.

Convertidor de carga
   

Impulsa tu negocio de catering Aquí significa "mejorado". El convertidor elevador convierte V_INaumenta, produciendo V_OUTPor ejemplo, cuando se desea convertir un voltaje de entrada de CC de 3.3 voltios a un voltaje de salida de 5.0 voltios V_OUTUn convertidor elevador sería muy útil. Esta operación de elevación de voltaje es común en muchas aplicaciones de baterías de iones de litio o polímero de litio.

Un circuito elevador contiene los mismos componentes que un circuito reductor (inductor, transistor de efecto de campo [FET] o diodo, condensador, amplificador de error con circuito de control de conmutación), pero con conexiones diferentes. El circuito elevador también funciona controlando el tiempo de activación del MOSFET para suministrar energía al inductor (como se muestra en la Figura 1-5).

         

Convertidor reductor-elevador
   

Un convertidor elevador-reductor es un convertidor conmutado que combina las funciones de reducción y elevación de voltaje en un solo regulador. Puede manejar un amplio rango de voltajes de entrada y salida. El circuito de control ajusta el tiempo de conmutación del MOSFET, reduce o aumenta el voltaje de entrada y genera V según sea necesario._OUT(Como se muestra en la Figura 1-6).

         

Además del tipo buck-boost estándar que se muestra en la Figura 1-6, existen otros tipos de convertidores buck-boost como Sepic, Cuk y Zeta. Estos convertidores pueden regular V_OUT, haciéndolo menor que, mayor que o igual que V_IN.

Introducción a los circuitos integrados de gestión de energía
     

El PMIC es un circuito integrado que se utiliza para la conversión y estabilización de voltaje, así como para la gestión de baterías. Permite la secuenciación del sistema eléctrico, el suministro de energía a diversas cargas y la protección contra sobretensiones, subtensiones, sobrecorrientes, fallas térmicas y otros riesgos.

Un único PMIC puede gestionar múltiples fuentes de alimentación externas, asignando los diferentes requisitos del sistema a la tensión de salida del regulador correspondiente. Además, se pueden utilizar en diversos procesadores, controladores de sistema y aplicaciones finales simplemente modificando la configuración de los registros o el firmware, sin necesidad de rediseñar un nuevo circuito integrado (CI).

El mercado de PMIC está experimentando un rápido crecimiento debido a diversas tendencias actuales. Una de ellas es la creciente demanda de movilidad inalámbrica por parte de los consumidores, lo que ha generado un aumento significativo en la demanda de dispositivos pequeños alimentados por batería. Esto, a su vez, requiere soluciones de gestión de energía más integradas, como se muestra en la Figura 1-7. Esta figura ilustra cómo la solución PMIC de Qorvo reduce considerablemente el número de componentes y el tamaño total de la solución.

         

Al mismo tiempo, consumidores y fabricantes demandan cada vez más productos que ahorren energía, sean respetuosos con el medio ambiente y reduzcan las emisiones de carbono. La tendencia global hacia lo ecológico ha incrementado la demanda de productos electrónicos con una gestión energética eficiente, convirtiendo esta función en una característica muy importante y popular.

PMIC todo en uno
     

Una razón importante por la que los PMIC actuales se utilizan ampliamente es que pueden satisfacer muchas, o incluso todas, las funciones de regulación de voltaje en una aplicación (como se muestra en la Figura 1-8). Estos versátiles PMIC se pueden personalizar mediante firmware para diversas aplicaciones, eliminando el alto costo de las modificaciones de hardware. Estas características permiten una transición fluida entre aplicaciones, lo que reduce el tiempo de comercialización.

         

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