La corriente de irrupción es una corriente transitoria y alta que se genera al encender una fuente de alimentación o un dispositivo. En nuestras fuentes de alimentación y sistemas electrónicos, la corriente de irrupción es indeseable, ya que puede sobrecargar y dañar el dispositivo.
Los circuitos de fuente de alimentación conmutada reductora utilizan un circuito de arranque suave para controlar la tasa de aumento de corriente durante el arranque del sistema, suministrando gradualmente energía a la carga y mitigando el impacto de la corriente de entrada en el sistema. La función de arranque suave de una fuente de alimentación reductora se logra mediante la configuración de un condensador de arranque suave. Este suprime eficazmente la corriente de entrada, evitando que la corriente de carga del condensador de salida supere el límite de corriente de la fuente de alimentación conmutada durante el arranque. Esto reduce la sobretensión en el propio circuito de conmutación y en las cargas posteriores, y minimiza las caídas de tensión de entrada. Además, un tiempo de arranque suave correctamente configurado garantiza un aumento suave de la tensión de salida, evitando fluctuaciones.
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Tomemos como ejemplo el chip TPS54561DPRT de TI. Su diagrama de bloques funcional interno se muestra en la Figura 1. El TPS54561DPRT implementa el arranque suave conectando un condensador externo al pin SS/TR.
La relación voltio-amperio de un condensador se expresa como I = C * dV / dt. Esto indica que a mayor capacitancia, mayor voltaje, y a menor tiempo de carga, mayor corriente de carga. En otras palabras, para una capacitancia dada, la magnitud de la corriente de carga del condensador es proporcional a la tasa de variación del voltaje.
Una fuente de alimentación conmutada reductora típica implementa un tiempo de arranque suave configurable conectando un condensador externo de arranque suave (CSS) al pin SS. La fuente de corriente de carga pull-up interna (ISS) carga el condensador CSS y lo compara con la tensión de referencia VREF para determinar el final del proceso. Según la fórmula de carga del condensador (I = C*ΔV/ΔT), el tiempo TSS necesario para que la tensión del condensador de arranque suave se cargue de cero a VREF es:
TSS_SET = CSS * VREF/ISS (Ecuación 1)
Para un circuito convertidor reductor, suponiendo que el valor de consigna de la tensión de salida es VOUT, el condensador de salida es COUT y la corriente de entrada que carga el condensador de salida es IINRUSH, el tiempo necesario para que la tensión en el condensador de salida (es decir, la tensión de salida) aumente desde cero hasta el valor de consigna VOUT es TSS_OUT. Utilizando la fórmula de carga del condensador, obtenemos:
TSS_OUT = COUT * VOUT/IINRUSH (Ecuación 2)
El requisito de arranque de una fuente de alimentación conmutada es que la tensión del condensador de arranque suave se cargue de cero a VREF dentro del tiempo de arranque suave TSS_SET, y la tensión del condensador de salida se cargue de cero al valor de consigna VOUT dentro del mismo lapso. Por lo tanto, obtenemos:
TSS_SET = TSS_OUT (Ecuación 3)
La fórmula final para calcular el condensador de arranque suave es:
(Ecuación 4)
Cuando un convertidor de conmutación arranca, la corriente que carga el condensador de salida se denomina convencionalmente corriente de entrada (IINRUSH). Esta corriente suele ser del 5 % al 10 % de la corriente de carga máxima del convertidor de conmutación (IOUT,MAX). Si la corriente de entrada (IINRUSH) es del 5 % de la corriente de salida máxima de la fuente de alimentación conmutada (IOUT,MAX), entonces IINRUSH = 5 % × IOUT. Sustituyendo IINRUSH = 5 % × IOUTMAX en la ecuación 4, se obtiene la siguiente expresión para el condensador de arranque suave (CSS):
(Ecuación 5)
Tomando el chip TPS54561DPRT como ejemplo, los datos de cálculo reales son los siguientes:
Requisitos: VOUT = 5,0 V, COUT = 3 * 47 uF = 141 uF, IOUT, MAX = 5,0 A
Parámetros: ISS = 1,7 uA, VREF = 0,8 V, IINRUSH = 5 % * 5,0 A = 0,25 A
Resultados del cálculo:
Se utiliza un condensador estándar cercano a 10 nF. Por esta razón, C13 = 0,01 uF en la figura siguiente.
La configuración de los condensadores de arranque suave es fundamental para suprimir la corriente de entrada y garantizar la estabilidad del sistema. Al seleccionar correctamente la capacidad del condensador, se pueden proteger los componentes y, al mismo tiempo, satisfacer las necesidades de arranque en diferentes escenarios.
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