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Power

Calculadora de Convertidor Elevador (Boost)

Diseña convertidores elevadores conmutados: calcula inductancia, condensador y ciclo de trabajo.

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Fórmula

D=1−Vin/(Vout×η),L=Vin×D/(ΔIL×fsw)D = 1 - V_in/(V_out×η), L = V_in×D/(ΔI_L×f_sw)

Referencia: Erickson & Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics" 3rd ed.

D— Ciclo de trabajo
V_in— Tensión de entrada (V)
V_out— Tensión de salida (V)
η— Eficiencia
f_sw— Frecuencia de conmutación (Hz)
ΔI_L— Ondulación de corriente del inductor (A)

Cómo Funciona

La calculadora del convertidor Boost calcula los requisitos del ciclo de trabajo, el valor del inductor y el condensador para aumentar la conversión de CC a CC, algo esencial para los controladores LED que funcionan con baterías, las aplicaciones USB PD y los sistemas de recolección de energía. Los ingenieros de electrónica de potencia, los diseñadores de dispositivos portátiles y los desarrolladores de MPPT solares utilizan esta herramienta para aumentar de manera eficiente el voltaje de las fuentes de bajo voltaje. Según el libro «Fundamentos de la electrónica de potencia» de Erickson & Maksimovic, los convertidores elevadores alcanzan una eficiencia máxima del 92 al 96%, y la relación fundamental D = 1 - (Vin/Vout) determina el ciclo de trabajo en el modo de conducción continua. Durante el tiempo de encendido del interruptor, la corriente del inductor se acumula linealmente a una velocidad di/dt = Vin/L; durante el tiempo de inactividad, el voltaje del inductor se suma al Vin, lo que hace que la corriente pase por el diodo hacia la salida. La nota de aplicación SLVA372 de TI especifica el valor del inductor L = Vin × D/(fsw × ΔIL), donde ΔIL representa entre el 20 y el 40% de la corriente media del inductor para un funcionamiento óptimo del CCM. La corriente de ondulación del condensador de salida es igual a Iout × √ (D/ (1-D)), por lo que se requieren cerámicas de baja ESR para mantener una ondulación de <50 mV. Consideración fundamental: los convertidores elevadores no pueden limitar la corriente de entrada ni impedir la retroalimentación entre la salida y la entrada sin circuitos de protección adicionales.

Ejemplo Resuelto

Diseñe un convertidor elevador para una salida USB de iones de litio de una sola celda (2,7-4,2 V) a 5 V a 2 A. Especificaciones objetivo: eficiencia superior al 90% en todo el rango de entrada, ondulación de salida de <50 mV, frecuencia de conmutación de 1 MHz. Paso 1: Calcule el ciclo de trabajo con un valor mínimo de Vin: D = 1 - 2,7/5 = 0,46 (46%). Paso 2: Calcular la corriente del inductor: IIn_max = Pout/ (η × VIN_min) = 10 W/ (0,9 × 2,7 V) = 4,1 A. Paso 3: Seleccione el inductor para una ondulación del 30%: ΔIL = 0,3 × 4,1 = 1,23 A. L = 2,7 × 0,46/ (1 M × 1,23) = 1,0 µH. Usa Coilcraft XAL5030 de 1,0 µH (Isat de 8,5 A, DCR de 12,5 mΩ). Paso 4: Calcula el condensador de salida: Cout = 2 A × 0,46/ (1 M × 0,05 V) = 18,4 µF. Utilice cerámica X5R de 2 × 22 µF/6,3 V. Paso 5: Seleccione IC — TI TPS61088 (conmutador de 10 A, 1,2 MHz, 95% de eficiencia máxima). Paso 6: Verificación térmica: pérdida de potencia ≈ 10 W × 0,08 = 0,8 W con una eficiencia del 92%, lo que requiere θJa < 75 °C/W para un funcionamiento a temperatura ambiente a 85 °C.

Consejos Prácticos

  • ✓Según el AN-1106 de Analog Devices, seleccione diodos Schottky con una tensión nominal del 150% (7,5 V para una salida de 5 V) y una corriente nominal del 200% (4 A para una salida de 2 A) para gestionar los transitorios de conmutación y la reducción térmica
  • ✓Utilice la detección de corriente de entrada para aplicaciones MPPT: los paneles solares requieren un voltaje de detección de ≤0.1 V para mantener una precisión de seguimiento de > 98% según TI SLVA446
  • ✓Implemente un arranque suave (de 1 a 10 ms) para limitar la corriente de entrada: los convertidores Boost ven la entrada Vin/Rdson antes de que el bucle de control se estabilice, lo que podría superar la corriente nominal del conmutador

Errores Comunes

  • ✗Reducción del tamaño de la corriente de saturación del inductor: con un ciclo de trabajo del 46% con una salida de 2 A, la corriente máxima del inductor alcanza el Iin + ΔIL/2 = 4,7 A; un inductor de 3 A se satura y provoca una fuga térmica
  • ✗Ignorar la recuperación inversa del diodo de salida: los diodos PN estándar muestran un tiempo de recuperación de 50 a 200 ns, lo que provoca una pérdida de eficiencia del 5 al 10% a 1 MHz; utilice diodos Schottky (recuperación de 5 ns) o rectificación sincrónica
  • ✗Descuidar la retroalimentación de energía de entrada a salida: los sistemas alimentados por baterías requieren un interruptor de desconexión de carga para evitar que el condensador de salida se descargue de nuevo a través del amplificador cuando se apaga

Preguntas Frecuentes

Según el libro de texto «Power Electronics» de Mohan, las pérdidas de eficiencia incluyen: la conducción del interruptor (Irms² × Rds (encendido)) del 2 al 4%, la caída de tensión directa del diodo (Vf × Iout) del 2 al 5%, las pérdidas de conmutación del 1 al 3% y el DCR del inductor al 1 2%. Los convertidores amplificadores síncronos sustituyen el diodo por un MOSFET de bajo RDS (encendido), lo que reduce las pérdidas del 5% al < 1%, algo fundamental para relaciones Vin/Vout bajas, donde la caída de diodos es significativa.
Las frecuencias más altas permiten inductores más pequeños (L ∝ 1/fsw) pero aumentan las pérdidas de conmutación. TI recomienda: de 100 a 500 kHz para aplicaciones de más de 10 W, 500 kHz-2 MHz para dispositivos portátiles y de 2 a 4 MHz para diseños miniaturizados. A 2 MHz, un amplificador de 5 V/2 A utiliza un inductor de 0,47 µH (2,5 × 2,5 mm) frente a 4,7 µH (6 × 6 mm) a 200 kHz.
Sí, los controladores Boost modernos admiten un rango de entrada de 10:1. El TI TPS61178 funciona desde una entrada de 2,7 a 30 V hasta una salida de 40 V. Los diseños Wide-Vin requieren: (1) limitar el ciclo de trabajo a D > 90% para mantener la estabilidad, (2) compensar la pendiente para evitar la oscilación subarmónica y (3) controlar el modo corriente para obtener una respuesta transitoria más rápida en todo el rango de operación.
Los convertidores Boost tienen un cero en el semiplano derecho (RHPZ) en fz = (1-D) ² × R/ (2π × L), lo que provoca un retraso de fase de 90°. En D = 0,5, inductor de 1 µH, carga de 5 Ω: fz = 200 kHz. La frecuencia de cruce debe permanecer por debajo de fz/3 para un margen de fase superior a 45°. Soluciones: reduzca el ancho de banda, aumente la inductancia o utilice el control en modo actual (cambia la RHPZ hacia arriba).
Los convertidores Boost requieren tanto una limitación de corriente máxima como una limitación de corriente promedio. Según el TI SLVA535: la limitación ciclo por ciclo protege el conmutador (se activa entre el 120 y el 150% del IPK_design), mientras que la limitación promedio evita la saturación del inductor durante el arranque suave y los cortocircuitos de salida. El modo hipo (desactivado entre 10 y 100 veces el período de arranque suave) limita la tensión térmica durante fallos prolongados.

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