El principio de funcionamiento del regulador conmutado

Los reguladores conmutados son reguladores de voltaje eficientes que controlan la corriente mediante el conmutado rápido de elementos de conmutación (como MOSFETs) y logran la regulación de voltaje a través de componentes de almacenamiento de energía (como inductores o capacitores). A continuación, se explica cómo funcionan y cuáles son sus componentes clave:

1. Control del elemento de conmutación

El núcleo de un regulador conmutado es un elemento de conmutación que alterna periódicamente entre el estado de encendido y el estado de apagado. Cuando el elemento de conmutación está en el estado de encendido, el voltaje de entrada se transfiere a través del elemento de conmutación al inductor; cuando el elemento de conmutación está en el estado de apagado, la corriente en el inductor se ve forzada a seguir fluyendo a través del diodo (o rectificador síncrono) en el extremo de salida.

2. El papel de los inductores y capacitores

• Inductor: Como componente de almacenamiento, almacena energía cuando el elemento de conmutación está conduciendo y libera energía cuando el elemento de conmutación se apaga.

• Capacitor: Conectado en paralelo en la salida para suavizar el voltaje de salida y reducir el rizado causado por la interrupción de la corriente del inductor.

3. Control de Modulación de Ancho de Pulso (PWM)

La PWM es un método para controlar la proporción de tiempo de conducción y corte de los elementos de conmutación. Al ajustar el ciclo de trabajo (es decir, la relación entre el tiempo de conducción y el período total) de la señal PWM, es posible controlar la velocidad a la que los inductores almacenan y liberan energía, lo que regula la magnitud del voltaje de salida.

4. Bucle de retroalimentación

Para mantener la estabilidad del voltaje de salida, generalmente se incluye un bucle de retroalimentación en los reguladores conmutados tipo buck. Este bucle monitorea el voltaje de salida y lo compara con un voltaje de referencia. Si el voltaje de salida se desvía del valor establecido, el bucle de retroalimentación ajusta el ciclo de trabajo de la señal PWM para aumentar o disminuir la transferencia de energía del inductor, manteniendo así la estabilidad del voltaje de salida.

5. Modo de funcionamiento

• Modo de Conducción Continua (CCM): Bajo condiciones de carga pesada, la corriente en el inductor nunca cae a cero durante todo el ciclo de conmutación.

• Modo de Conducción Discontinua (DCM): o Modo Burst: Bajo condiciones de carga ligera o sin carga, el regulador puede entrar en estos modos para mejorar la eficiencia y reducir el consumo de potencia en reposo.

6. Eficiencia y gestión térmica

Dado que la acción de conmutación del elemento de conmutación genera ciertas pérdidas, la eficiencia del regulador conmutado no es del 100%. Sin embargo, se pueden lograr diseños de alta eficiencia optimizando la selección de los elementos de conmutación, reduciendo las pérdidas de conmutación y conducción. Al mismo tiempo, también son necesarias medidas de gestión térmica adecuadas (como disipadores de calor) para prevenir el sobrecalentamiento y mantener la confiabilidad del regulador.

Resumen

Los reguladores conmutados logran una regulación de voltaje eficiente y estable a través del mecanismo descrito, y se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos como computadoras, teléfonos móviles, televisores, etc., asegurando que estos dispositivos puedan operar normalmente bajo diversas condiciones de voltaje de entrada.