¿Por qué los convertidores boost/buck nunca están completamente integrados/todo en uno?

Pasando de pequeñas aplicaciones de arduino a aplicaciones de mayor potencia para el trabajo, he tenido que cambiar de usar reguladores lineales simples a cambiar convertidores elevadores/reductores cada vez que se requiere un voltaje diferente al disponible. Esta ha sido una curva de aprendizaje mucho mayor de lo que anticipé; cosas como la frecuencia de conmutación, los valores de inductancia y capacitancia deben tenerse en cuenta, y casi siempre se requieren varios componentes externos (por ejemplo, el inductor) para que el convertidor funcione.

Mi pregunta es, ¿por qué estos componentes adicionales casi siempre son externos? No me quejo, he estado aprendiendo bastante del interruptor y no es una curva tan mala, solo tengo curiosidad por saber por qué parece que no hay circuitos integrados plug-and-play (al menos no que yo he encontrado para 24V, 3A de salida, corríjame si me equivoco) como los hay para reguladores lineales más pequeños.

¿Supongo que se generaría demasiado calor?

¿Es este el "nivel de integración" en el que estás pensando? ti.com/product/TPSM84209
@MarcusMüller Más o menos, eso parece bastante impresionante para solo 4 mm x 4 mm
Analog Devices tiene algunos PMIC todo en uno llamados µModule . Algunos de ellos se ven bastante divertidos con los inductores colocados en la parte superior del paquete.
@Isaac Middlemiss Hay un módulo DC-DC de 2,9 mm x 2,6 mm ( ti.com/product/TPS81256 ).

Respuestas (3)

Tiene que ver con las limitaciones del silicio.

Puede hacer fácilmente muchos transistores en silicio y conectarlos entre sí.

Las resistencias y los condensadores, en particular los que tienen cierta precisión, son más duros y realmente no puedes hacerlos para manejar una energía apreciable. Se puede hacer, pero ocupan mucho espacio (no estoy seguro de cómo están las cosas ahora, pero en un momento dado, el límite de compensación interno típico para un amplificador operacional estable de ganancia unitaria ocupó la mayor parte del silicio).

Los inductores están fuera. Necesita devanados de baja resistencia, necesita un núcleo magnético, necesita tamaño .

Es por eso que su suministro de conmutación tiene un chip que hace todo lo que se puede hacer razonablemente en silicio, luego está rodeado por condensadores (relativamente) grandes y una bobina (relativamente) grande.

Bonito y sucinto. Agregaría que la energía magnética del inductor útil se almacena en el espacio de vacío intersticial y, dada la permitividad relativa fija, el volumen necesario es proporcional a la energía máxima almacenada. Dicho esto, fabrican módulos todo en uno como el PM-03 (sin embargo, de CA a CC en este caso). La razón por la que escribo esto es que es posible que el OP no lo sepa; y, a pesar de su tamaño, pueden ser perfectamente adecuados para los intereses del OP.
@jonk: no quería complicar las cosas. Interesante noción sobre dónde termina la energía útil. ¿Tiene una referencia a esto?
Puede encontrarlo usted mismo mirando de cerca las ecuaciones, ya sea en el segundo volumen de la conferencia de Feynman o mediante un análisis muy simple de las ecuaciones habituales de inductor basadas en electrónica. Trabajo con físicos todo el día y lo que me obligó a "pensar" fue un comentario casi abusivo de un físico hacia mí cuando exhibí mi propia falta de reflexión sobre el tema, hace más de 30 años. Fue una bofetada rápida en la cara y no dio más detalles. Pero ese evento me obligó a "ir a buscar". Entonces lo vi, fácilmente. (Si quieres, puedo escribir más.)
Entonces, ¿ cómo lo manejan los dispositivos como este del comentario anterior de Marcus? ¿Pierden precisión?
@IsaacMiddlemiss, esconden un inductor (y tal vez un capacitor discreto) dentro del compuesto del molde.
@ThePhoton Supuse eso, pero a la luz de la respuesta de TimWescott, ¿cómo lo consiguieron tan pequeño sin dejar de administrar una producción significativa?
@IsaacMiddlemiss verá que se llama "módulo", no "IC". Esa palabra (más la altura y el gran tamaño general) le permite saber que hay un circuito "antiguo normal" dentro de ese paquete.
@IsaacMiddlemiss, en general, la forma en que los suministros de conmutación se vuelven más pequeños es mediante un diseño cuidadoso y aumentando la frecuencia de conmutación. El tamaño del inductor está determinado por la energía que necesita para almacenar cada ciclo. En igualdad de condiciones, a medida que aumenta la velocidad de conmutación, el inductor almacena menos potencia por ciclo para el mismo nivel de potencia.
Sorprendentemente, la hoja de datos dice que el diseño tiene una frecuencia fija de 750 kHz.
@IsaacMiddlemiss No es solo el nivel de salida, también es la calidad. El inductor y el capacitor dictan la ondulación, dada una frecuencia de conmutación fija.

También están disponibles estos micromódulos compactos, por ejemplo, de Analog Devices [Tecnología lineal].

Integra controlador, inductor y capacitores dentro de un paquete:ingrese la descripción de la imagen aquí

Las razones para usar tales módulos son:

  • Falta de recursos para el desarrollo de SMPS
  • Alta integración para aplicaciones de área de PCB baja
  • Alta resistencia al choque mecánico

El convertidor CC-CC totalmente integrado a menudo se denomina "módulo CC-CC" (ejemplos) . El módulo DC-DC es bastante común a la venta. Si observa el KC705 (kit de evaluación Kintex-7), verá cuatro módulos CC-CC completamente integrados en el lado derecho.

Cabe destacar que muchos fabricantes de condensadores fabrican sus propios módulos DC-DC con componentes que no se comercializan.

¿Por qué los convertidores boost/buck nunca están completamente integrados/todo en uno?
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