Convertidor Reductor (Buck)
Características
Este regulador convierte un voltaje de entrada en un voltaje de salida más bajo. Sus principales características son que el transistor que funciona como interruptor no está referenciado a tierra, que el voltaje de salida y el de entrada tienen la misma referencia, y que la corriente de entrada es pulsante. La figura 1 muestra el circuito eléctrico, al que se llegó en el tema de reguladores por conmutación al agregar el diodo volante al filtro LC.
Para entender el comportamiento de este convertidor, considere primero el caso en que el interruptor Q está encendido. En ese instante, Vin provee la energía para L, C y R, ya que el diodo D está polarizado inversamente (circuito abierto). El siguiente caso es cuando el interruptor Q está abierto: la corriente de la bobina continúa circulando a través del diodo D, que queda polarizado directamente, y es la bobina la que provee la energía para C y R. La figura 2 muestra estos dos comportamientos.
Regulador Buck con Control PWM
La figura 3 muestra el esquemático de un regulador Buck con su control PWM. El transistor Q funciona como un interruptor de un solo polo en serie con el voltaje de entrada Vin. Q se cierra (se satura) durante el tiempo Ton del periodo T (ver las formas de onda en la figura 4); mientras está encendido, el voltaje V1 es igual a Vin (suponiendo por ahora que el voltaje de saturación de Q es cero). Cuando Q se abre (entra en corte), el voltaje V1 cae muy rápidamente hacia tierra y se volvería peligrosamente negativo si no fuera “sujetado” en tierra por el llamado diodo volante (free-wheeling diode), que queda polarizado directamente (suponiendo que su caída es cero).
Entonces, el voltaje V1 es una onda rectangular que varía entre Vin y tierra, con el valor Vin durante Ton. El valor promedio (de DC) de este voltaje es Vin · (Ton/T). El filtro LC, colocado en serie entre V1 y Vo, entrega un voltaje de DC prácticamente sin rizado, cuya magnitud es Vin · (Ton/T).
El voltaje Vo se mide por medio de los resistores R1 y R2 y se compara con un voltaje de referencia Vref en el amplificador de error (AE). El voltaje de error de DC se amplifica y alimenta a un modulador de ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulator). La otra entrada del PWM es una rampa de periodo T y, usualmente, 3 V de amplitud (Vt). El comparador del PWM genera una onda cuadrada Vwm que está en nivel alto cuando comienza la rampa y termina en el momento en que la rampa cruza el nivel de DC del voltaje del amplificador de error. De esta manera, el ancho de pulso Ton es proporcional al nivel de DC de la salida del amplificador de error.
La salida del PWM alimenta a un amplificador de corriente que controla el tiempo de encendido del transistor Q en un lazo de retroalimentación negativa. Las fases están establecidas de manera que, si Vo sube un poco, el nivel de DC del AE baja y se acerca al comienzo de la rampa; la rampa cruza el nivel del AE más temprano, el tiempo de encendido de Q disminuye y Vo = Vin · (Ton/T) baja. De la misma manera, si Vo baja por una disminución del voltaje de entrada o por un aumento de la corriente de carga, Ton aumenta para mantener Vo constante. El tiempo de encendido de Q se controla para que el voltaje de salida muestreado, Vo · R2/(R1 + R2), sea siempre igual a Vref.
Ecuaciones de Diseño
Con el balance de volt-segundo: durante Ton el inductor ve Vin − Vo, y durante Toff ve −Vo. Entonces (Vin − Vo) · D = Vo · (1 − D), de donde:
La corriente promedio del inductor es igual a la corriente de carga (IL = Io), y su valor pico es Io + ΔIL/2. Es común diseñar el inductor para un rizado ΔIL de 20 a 40 % de Io. El convertidor entra en modo discontinuo cuando Io < ΔIL/2.
Calcular D, el inductor para un rizado de corriente del 30 % y el capacitor para un rizado de voltaje de 20 mV pico a pico.
Se elige un capacitor cerámico de 47 µF, porque su capacitancia efectiva baja con el voltaje de DC aplicado. Su resistencia serie equivalente (ESR ≈ 5 mΩ) agrega ΔIL · ESR ≈ 3.3 mV de rizado. El inductor debe soportar al menos 2.33 A sin saturarse. Si se considera la caída de un diodo Schottky (≈ 0.4 V), el ciclo de trabajo real sube a D ≈ (5 + 0.4)/(12 + 0.4) = 0.435.
- Como Q no está referenciado a tierra, su compuerta necesita un excitador flotante (bootstrap) o un MOSFET de canal P.
- La rectificación síncrona (un segundo MOSFET en lugar del diodo) eleva la eficiencia en salidas de bajo voltaje; requiere un tiempo muerto para evitar que ambos transistores conduzcan a la vez.
- El lazo formado por el capacitor de entrada, Q y D lleva corriente pulsante: debe ser lo más pequeño posible en la tarjeta.
Resumen
- El Buck reduce el voltaje: Vo = D · Vin.
- Durante el encendido la fuente alimenta a L, C y R; durante el apagado la bobina mantiene la corriente a través del diodo volante.
- El control PWM compara el voltaje de error con una rampa para fijar Ton y mantener Vo constante.
- La corriente de entrada es pulsante y la de salida es continua; el capacitor de salida solo filtra el rizado ΔIL.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1 (regulador Buck).
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 2.
- Texas Instruments. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage (SLVA477).
La explicación del control PWM sigue la presentación de Pressman et al. [1], cap. 1. Figuras 1 a 4: originales del autor (2004).
Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).