El Regulador de Voltaje Conmutado vs. el Regulador de Voltaje Lineal: ¿Cuál es la Mejor Opción para el Circuito de Administración?

July 19, 2019 Altium Designer

7805 Voltage Regulators

¿Alguna vez un condensador le ha explotado en la cara? Así es como comencé mi carrera en el diseño electrónico. También me equivoqué al realizar el cálculo del presupuesto para lo que originalmente se presentó como un proyecto “simple”. El resultado final fue un prototipo de placa de circuito impreso (PCB) con un regulador de voltaje al rojo vivo capaz de freír un huevo… o peor.

Desde aquel entonces, me he dado cuenta de que la elegancia y sofisticación del diseño importan poco. Si comete un error al configurar los circuitos de administración de energía, su diseño es prácticamente inútil. Los cálculos del presupuesto de energía, la temperatura del ambiente y, en mi caso, la selección del componente de administración de alimentación principal, como por ejemplo un regulador de voltaje, puede hacer o deshacer su proyecto de PCB.

La Función de un Circuito de Administración de Alimentación en un Sistema Integrado

Durante más de una década de diseñar sistemas integrados, he visto la evolución a pasos agigantados de los microcontroladores. Han evolucionado desde el histórico Zilog hasta el moderno procesador Cortex M4. La tecnología como el Bluetooth LE y ZigBee han revolucionado aún más la industria de sistemas integrados. No obstante, siempre necesitará un sistema de circuitos de alimentación bien diseñado. Sin él, todos estos fragmentos geniales de tecnología son solamente “piezas”, partes que tendrán un olor terrible cuando comiencen a saltar chispas, fusionar y quemar.

Aparte de los condensadores, tiene el regulador de voltaje, que se asienta en el corazón de todo sistema de circuitos de alimentación bien diseñado. Como su nombre lo indica, ofrece una fuente estable de voltaje que permite el sistema integrado funcione de una manera estable. El regulador de voltaje conmutado es la mejor opción para el circuito de administración de la alimentación. Los reguladores de voltaje funcionan al recibir una entrada de alto voltaje antes de disminuir y estabilizar el voltaje al nivel requerido para operar el dispositivo electrónico.

Antes de volverse populares los componentes de 3.3V, nos encontrábamos limitados a los microcontroladores potenciados de 5V (MCU) y los circuitos integrados (IC). El número de pieza LM7805 fue muy popular en aquel entonces, ya que era un simple regulador de voltaje lineal de 5V. De hecho, su simplicidad es bastante elegante, por lo que sigue siendo una opción popular hoy en día. Cuando 3.3V se convirtió en un voltaje de operación principal, el LM1117-33 sirvió como un regulador de voltaje lineal bastante eficiente. 

Las Limitaciones de Reguladores de Voltaje Lineal

Hubo un período en el que los circuitos integrados se orientaron para acomodar 3.3V, y durante este plazo, los microcontroladores experimentaron una fase de evolución rápida. Anteriormente, los diseñadores se centraban en el número de entradas/salidas en un microcontrolador. Luego, se interesaron más en el número de características integradas, tales como los transmisores-receptores asíncronos universales (UARTS), el Ethernet, el bus universal en serie (USB), y el rápido aumento de la capacidad de procesamiento. Eventualmente, el regulador de voltaje lineal fue llevado a su límite.

Black aluminum heat sinks

Estos prácticos disipadores térmicos enfrían los reguladores lineales. 

Muchas personas cometieron un error de novatos al lidiar con los reguladores de voltaje lineal, aceptaron la tensión nominal como si fuera absoluta. Esto fue un problema mayor porque el regulador de voltaje LM7805 está especificado como un regulador de 5V, 1.5A. Pero eso no quiere decir que pueda manejar este voltaje sin fundir algunos componentes, en el mejor caso, o incinerarse en el proceso. Por lo menos tres parámetros adicionales deben tomarse en cuenta antes de seleccionar un regulador de voltaje lineal. El regulador de voltaje conmutado es la mejor opción para el circuito de administración de la alimentación. 

El nivel de potencia disipada se calcula considerando la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida; luego, debe multiplicar esta cifra por la corriente de carga. Si está regulando 12V a 5V, y su sistema incrustado consume 100mA, entonces la potencia disipada será de 0.7W. Teniendo esto en cuenta, debemos tener en cuenta que el LM7805 puede funcionar a temperaturas de hasta 125ºC. Más allá de este punto, comenzará a notar eventos no deseables, tales como la fusión y la combustión.

Pero un LM7805 típico en un paquete TO-220 tiene una resistencia a la temperatura de 65ºC/W. Esto quiere decir que por cada1W, verá un aumento de 65ºC por encima de la temperatura ambiente del entorno. En algunas regiones, las temperaturas promedian los 35ºC, por lo que el LM7805 estaría funcionando a 100ºC, ligeramente menos que la temperatura máxima permitida, pero tiene menos del 10% de la corriente máxima nominal de 1.5A. 

Por qué el regulador de voltaje conmutado es la mejor opción para la administración de alimentación, literalmente fríamente calculada

Las características del regulador de voltaje lineal lo convirtieron en un candidato poco ideal en sistemas con requerimientos de alta potencia, ya que el calor generado podría dañar el regulador o deteriorar la vida de los componentes cercanos. Esto aumentó el interés en el regulador conmutado. Como su nombre implica, el regulador conmutado se enciende y apaga a un ritmo muy rápido, brindando una fuente de alimentación estable y eficiente. El regulador conmutado puede disipar el calor de manera muy eficaz, reduciendo las temperaturas y minimizando el riesgo de una fusión en sentido literal.

 
Graphic saying “Improve Efficiency”

Los reguladores conmutados se centran en la eficiencia.

Una pieza que he usado es la LM2576, un regulador conmutado popular que corre con una eficiencia del 75% cuando regula a 3.3V. Esto produce una fracción del calor que se puede observar en un regulador lineal comparable, lo que lo hace ideal para las aplicaciones que necesitan regular desde un alto voltaje a un bajo voltaje. También es adecuado para los sistemas integrados en los que usted está ejecutando normalmente a una alta capacidad. 

Los Reguladores Conmutados vs. Los Lineales

Bien que el regulador de voltaje conmutado es la mejor opción para el circuito de administración de la alimentación, con toda la eficiencia que brinda un regulador de voltaje conmutado, dos criterios aún lo impiden de ser la opción predeterminada. El coste del regulador conmutado y los componentes pasivos obligatorios. Estos costes pueden ser muy importantes, y hasta 30 veces más altos que los costes que vería con un regulador de voltaje lineal y un par de condensadores.

Además, el regulador conmutado requiere mayor cantidad de componentes pasivos. Cuando tiene una mayor cantidad de componentes pasivos, el mantenimiento se vuelve mucho más complejo. Debe asegurarse de seleccionar cuidadosamente el valor de sus inductores y condensadores, y esto también se traduce de manera automática en una demanda para más espacio en la placa de circuito impreso.

En breve, si usted está trabajando en una aplicación simple que no consume mucha potencia, el regulador de voltaje lineal es la opción lógica. Pero si está trabajando en un proyecto de alta potencia o intenta lograr una reducción desde un voltaje industrial de 24VDC a un sistema de 3.3V, entonces puede considerar el uso de un regulador de voltaje conmutado.

¿Tiene dudas sobre los circuitos de administración de alimentación? ¿Necesita consejos y mejores prácticas para cambiar el diseño de reguladores de voltaje conmutado? Comuníquese con un experto diseñador de placas de circuito impreso en Altium ahora mismo. 

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