Figura 1. Topología del convertidor BUCK no síncrono
La Figura 1 muestra la topología de un convertidor BUCK asíncrono. Los chips de convertidores BUCK asíncronos suelen integrar internamente solo el MOSFET de lado alto. Se debe instalar un diodo de rueda libre entre el pin SW y GND como ruta de rueda libre para el inductor de potencia cuando el MOSFET de lado alto está desactivado.
La selección del diodo de rueda libre debe cumplir al menos los siguientes dos criterios estrictos (1)(2) y dos criterios de optimización (3)(4):
(1) La tensión de funcionamiento inverso VRRM del diodo de rueda libre debe ser igual o mayor que la tensión de entrada máxima VIN(max).
(2) La corriente de conducción directa IF(AV) del diodo de rueda libre no debe ser inferior a Iout(máx)*(1-D), donde D es el ciclo de trabajo del convertidor reductor e Iout(máx) es la corriente de carga máxima que este puede soportar. Para una selección más rigurosa de la capacidad de sobrecorriente del diodo de rueda libre, se puede seleccionar que sea mayor o igual a la corriente de pico en el inductor IOUT+(ΔIL)/2.
(3) Cuanto menor sea la caída de tensión directa VF, menor será la pérdida de potencia causada por este parámetro y mayor será la eficiencia energética. (4) Cuanto más rápida sea la velocidad de conmutación del estado encendido al estado apagado (menor el tiempo de recuperación inversa trr), menor será la pérdida de recuperación inversa y mayor la eficiencia energética, mejor.
Los diodos de barrera Schottky (SBD) son opciones ideales para diodos de rueda libre debido a su pequeña caída de voltaje directo y rápido tiempo de recuperación inversa (normalmente decenas de nanosegundos o incluso unos pocos nanosegundos), lo que reduce las pérdidas de energía en el diodo de rueda libre.
Para diseñar un convertidor reductor CC-CC con un rango de tensión de entrada de CC de 9-36 V, una tensión de entrada típica de 12 V, una tensión de salida de 5 V y una capacidad de carga máxima de 5 A, se seleccionó un diodo Schottky con una tensión de operación inversa de 40 V y una corriente directa superior a 5 A, ya que su tensión de entrada máxima es de 36 V. Como se muestra en la Figura 2, el diodo Schottky SS54 tiene una tensión de operación inversa de 40 V, una corriente rectificada promedio de 5 A y una caída de tensión directa máxima de 0,55 V con una corriente directa de 5,0 A, lo que cumple con los requisitos del circuito.
Figura 2 Parámetros eléctricos del diodo Schottky SS54
Cuando la tensión de entrada es de 12 V, el ciclo de trabajo es de 5/12 y la corriente media que fluye a través del diodo de rueda libre es de 5,0 A*(1-5/12)=2,917 A. Cuando la tensión de entrada alcanza un valor máximo de 36 V, el ciclo de trabajo es de 5/36 y la corriente media máxima que fluye a través del diodo de rueda libre es de 5,0 A*(1-5/36)=4,3 A. Como se muestra en la Figura 3, D3 (SS54) en el ejemplo de diseño del circuito TPS54360DDAR es el diodo de rueda libre seleccionado.
Figura 3. Ejemplo de diseño de circuito TPS54360DDAR
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