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Ya sea en el arranque en frío o en caso de sobretensión por desconexión de carga, los convertidores reductor-elevador pueden proporcionar tensiones de alimentación estables e ininterrumpidas en todo el intervalo de tensiones de la batería de automóvil.

La gran variación de tensión de la red de a bordo del automóvil de 12 V supone un reto para las aplicaciones electrónicas en automoción. Con variaciones de tensión desde 3,5 V hasta 28 V (45 V) no siempre se pueden aplicar las soluciones sencillas de alimentación, como los reguladores lineales de tensión y los convertidores reductores o elevadores de CC/CC a la hora de proporcionar la tensión de alimentación necesaria para la unidad de control electrónico del automóvil (ECU). Una topología reductor-elevador puede solucionar este dilema sin necesidad de bobinas acopladas magnéticamente (transformadores como p.ej. un convertidor SEPIC o flyback) y ofrecer una solución rentable y flexible.
Para muchas aplicaciones y ECU del ámbito de la automoción, la tensión proporcionada por la batería y el alternador no es la adecuada y es necesario convertirla primero al valor correcto. Para lograr este objetivo, a menudo se utilizan los reguladores de tensión por conmutación CC/CC y los reguladores lineales de tensión. Este artículo se centra únicamente en los reguladores de tensión por conmutación, ya que no se pueden utilizar soluciones lineales para generar tensiones de salida superiores a la tensión de entrada.

La topología más habitual es el convertidor reductor (Figura 1). Se trata de una de las soluciones de conmutación CC/CC más sencillas y rentables, ya que sólo requiere una inductancia, un diodo y un conmutador. El inconveniente es que sólo se pueden generar tensiones de salida inferiores a la tensión de entrada. Si se requiere una tensión superior a la tensión de entrada, se puede utilizar la técnica inversa, la topología elevadora (Figura 2). Esta tecnología requiere componentes similares, pero proporciona tensiones de salida superiores a la tensión de entrada.  

Como la tensión en la red de a bordo de un automóvil puede variar en gran medida (desde 3,5 V durante el arranque hasta 45 V durante una desconexión de carga al retirar las pinzas), es inevitable que en algunas aplicaciones de la ECU se produzca cierto cruce entre la tensión de entrada y la de salida. La pérdida de funcionalidad durante el arranque del motor es inaceptable, sobre todo en aplicaciones del grupo motriz o en algunos sistemas de navegación, información y entretenimiento. Este problema se podría solucionar con un convertidor flyback o una topología SEPIC, pero el coste y el espacio adicionales de las inductancias de tipo transformador necesarias no convencen a los clientes.

La topología reductor-elevador es una solución que podría proporcionar una tensión de salida constante aunque la tensión de entrada cruce la tensión de salida. Además, presenta un diseño sencillo, ya que requiere solamente una bobina. Esta solución combina el convertidor reductor con el convertidor elevador en una misma topología. Una transición sin sobresaltos entre ambos modos permite una tensión de salida estable e ininterrumpida para cualquier tensión de entrada.
Al combinar dos topologías, el convertidor reductor-elevador asíncrono (Figura 3) necesita dos conmutadores y dos diodos, en comparación con el convertidor sólo elevador o sólo reductor que necesita un conmutador y un diodo. Los dos diodos se pueden sustituir por conmutadores para aumentar el rendimiento general del sistema. La topología muestra ahora un aspecto semejante al de un puente H completo con inductor (Figura 4).
La función general de estos dispositivos se puede descomponer en tres modos de funcionamiento:

1.    Modo reductor para tensiones de entrada superiores a la tensión de salida.
2.    Modo elevador para tensiones de entrada inferiores a la tensión de salida.
3.    Transición para tensiones de entrada semejantes a la tensión de salida.

Funcionamiento en modo reductor
Para el funcionamiento en modo reductor, la tensión de entrada debe ser siempre superior a la tensión de salida. Esta función es semejante a la topología reductora básica. Los conmutadores de elevación del convertidor (B1 y B2) no actúan en este modo. El conmutador B1 está siempre cerrado. Esto permite que la corriente fluya del inductor al condensador de salida. El conmutador B2 debe estar abierto para evitar cortocircuitar la salida a masa.
Durante el tiempo de conducción (ON) del conmutador, A1 está cerrado para que la inductancia se cargue (Figura 5). En este ciclo la corriente fluye desde la entrada a través del conmutador A1, la bobina y el conmutador B1 al condensador de salida.
En la segunda fase del ciclo (tiempo de interrupción u OFF) el conmutador A1 está abierto y el conmutador A2 está cerrado (Figura 6). La bobina cargada magnéticamente fuerza una corriente desde masa a través del conmutador A2, la bobina y el conmutador B1 al condensador de salida. A esta fase también se le llama de libre circulación.
En una topología asíncrona, el conmutador A2 se sustituye por un diodo como elemento de libre circulación pasivo. Esto reduce el número de excitadores y de FET necesarios, pero disminuye la eficacia del convertidor. El ciclo de trabajo de conmutación en este modo depende de la relación entre tensión de entrada y tensión de salida especificada en la ecuación (1).

Funcionamiento en modo elevador
Para el funcionamiento en modo elevador, la tensión de entrada debe ser siempre inferior a la tensión de salida. El dispositivo funciona en la topología elevadora básica. Los conmutadores reductores del convertidor (A1 y A2) no trabajan en este modo. El conmutador A1 está siempre cerrado para permitir el flujo de corriente desde la entrada al inductor. El conmutador A2 debe estar abierto para no cortocircuitar la entrada a masa.
Durante el tiempo de conducción (ON), el conmutador B2 está cerrado para cargar el inductor (Figura 8). En este ciclo, la corriente fluye desde la entrada a través del conmutador A1, la bobina y el conmutador B2 a masa.

En la segunda fase del ciclo (tiempo de interrupción u OFF), el conmutador B2 está abierto y el conmutador B1 está cerrado (Figura 9). La bobina cargada magnéticamente fuerza una corriente desde la entrada a través del conmutador A1, la bobina y el conmutador B1 al condensador de salida.
En una topología asíncrona, el conmutador B1 se sustituye por un diodo como elemento de libre circulación pasivo. Los efectos son los mismos que los descritos en el «funcionamiento en modo reductor». El ciclo de trabajo de conmutación en este modo también depende de la relación entre tensión de entrada y tensión de salida (ecuación 2).

Funcionamiento en transición
Cuando las tensiones de entrada y de salida son muy semejantes, ni el modo reductor básico ni el modo elevador básico pueden mantener por sí solos una tensión de salida estable controlada en lazo cerrado. Una posibilidad consiste en cambiar de un modo a otro cuando se alcance cierta tensión de entrada (la tensión umbral muestra una histéresis en aras de la estabilidad). Otra posibilidad sería hacer funcionar ambos modos, la reducción y la elevación, en ciclos de reloj alternos para garantizar una tensión de salida estable y una buena respuesta a los transitorios.

Conclusión
Hay varios productos disponibles que pueden ayudar a hacer frente a los problemas derivados del gran intervalo de tensiones de la red de a bordo del automóvil, como el arranque en frío, la sobretensión por desconexión de carga o el agotamiento de la batería. Con un convertidor reductor-elevador totalmente integrado de 5 V y 1 A como el TPIC74100, se puede mantener una tensión de salida estable sin necesidad de costosas y voluminosas inductancias de tipo transformador. De esta manera se garantiza un funcionamiento total de la aplicación en un amplio intervalo de tensiones de batería.

Referencias
Si desea obtener más información sobre el TPIC74100, visite
www.ti.com/sc/device/tpic74100.

Acerca del autor
Hannes Estl es Ingeniero de Sistemas en Texas Instruments, donde se encarga de la ingeniería de sistemas y la definición de productos en el campo de los sistemas analógicos de señal mixta para automoción. El Sr. Hannes se licenció en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Técnica de Graz, Austria.

Autor:

Hannes Estl, Ingeniero de Sistemas de Texas Instruments

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