Conversores Buck (ART245)

Fontes chaveadas, conversores DC/DC e outros circuitos de alimentação utilizam tecnologias diferentes para alterar uma tensão de entrada e com isso obter um valor diferente de tensão de saída com o máximo de estabilidade e eficiência. Nas edições anteriores falamos dos conversores do tipo "boost" com especial destaque para os tipos "charge pump" e a  linha de componentes da Texas Instruments destinada a este tipo de aplicação. Nesta edição, continuamos com a série falando agora dos conversores do tipo "buck", analisando seu funcionamento e mostrando suas vantagens. Nossa série continuará com aplicações práticas que podem ser de grande utilidade para o projetistas, descrevendo um kit de desenvolvimento na próxima edição, da mesma maneira que fizemos com os conversores "boost" .

 

 

Ver também:

Como funcionam os conversores A/D (ART224)

IGBT

 

 

Os reguladores chaveados possuem uma eficiência que não pode ser encontrada em qualquer outra configuração quando se trata de projeto de fonte de alimentação.

Nas quatros edições anteriores falamos dos circuitos "charge pump" que possibilitam a elaboração de alguns circuitos bastante eficientes nesta categoria de aplicações e também dos conversores tipo "boost" que elevam a tensão de uma fonte. No entanto eles não são únicos o que nos leva a dar aos projetistas as outras configurações existentes.

Basicamente, existem quatro tipos de conversores DC/DC mais usados nos projetos práticos:

Boost - que fornece uma tensão de saída maior do que a aplicada na entrada (visto nas edições anteriores).

Buck - que fornece uma tensão de saída menor do que a aplicada na entrada

Buck-boost (inversor) em que a tensão de saída tem polaridade oposta a aplicada na entrada.

Fly-back em que temos diversas tensões de saída que podem ser maiores ou menores do que a tensão de entrada.

 

Na figura 1 mostramos de forma simplificada os quatro tipos de circuitos.

 

Dando prosseguimento a nossa abordagem das tecnologias de gerenciamento de energia, este artigo vai se dedicar especificamente aos conversores do tipo "buck".

 

 

Os Conversores Boost

Também chamados "step down" porque a tensão de saída é sempre menor do que a tensão de entrada.

Na configuração básica temos um transistor constantemente chaveado que entregando pulsos a um circuito formado por um indutor e um capacitor possibilita a obtenção de uma tensão contínua de sáida.

Controlando o ciclo ativo do sinal chaveado pelo transistor é possível regular a tensão de saída.

Para efeito de análise de um circuito típico deste tipo, temos um diagrama simplificado na figura 2.

 

Neste transistor Q1 é a chave de potência e consiste num MOSFET de canal N. O diodo CR1 é normalmente denominado "diodo de captura" ou diodo "freewheeling". O indutor L e o capacitor C formam o filtro de saída. O capacitor ESR, RC (resistência equivalente em série) e o indutor RC além de RL são incluidos na análise do princípio de funcionamento.

O Resistor R representa a carga vista a partir da etapa de potência de saída.

O funcionamento deste tipo de circuito pode ocorrer tanto pelo modo contínuo ou descontínuo da corrente pelo indutor.

No modo contínuo, a corrente flui continuamente pelo indutor durante o ciclo completo de chaveamento na operação do circuito. No modo descontínuo, o indutor tem um valor máximo de corrente e depois um certo intervalo em cada ciclo do sinal de chaveamento em que a corrente é zero.

 

Analisemos o funcionamento nos dois modos:

a) Modo Contínuo

No modo contínuo a etapa de potência assume dois estados por ciclo de comutação. O estado ON ocorre quando o transistor Q1 está em condução e CR1 está desligado. O estado OFF ocorre quando Q1 está no corte e CR1 está em condução.

O estado do circuito pode ser representado de forma simplificada conforme mostra a figura 3.

 

A duração do estado ON é determinado pelo circuito de controle. Na figura 4 mostramos os tempos ON e OFF.

 

b) Modo descontínuo

Para entender como funciona o conversor buck no modo descontínuo começamos por verificar que a corrente na etapa de potência é a corrente média no indutor. Observe que aa corrente flui pelo capacitor de saída e pelo resistor de carga de modo que a corrente média através do capacitor (carga e descarga) é nula.

Se a corrente na carga cair abaixo de um valor crítico, a corrente no indutor será zero durante parte do ciclo de comutação. Isso pode ser melhor observado na figura 4, já que a corrente de ripple pico a pico  não muda com a corrente de carga.

 

Numa etapa não sincronizada a corrente tende a ser menor que zero no indutor mas isso não pode acontecer na prática porque o diodo, conduzindo num único sentido, não deixa.

Assim, etapas que funcionam desta forma possuem três estados por ciclo de funcionamento os quais são representados no gráfico da figura 5.

 

Na figura 6 temos as formas de onda nos diversos elementos do circuito quando operando no modo contínuo.

 

Na figura 7 mostramos as formas de onda no modo descontínuo.

 

O elemento crítico para a operação nos dois modos é a indutância, além das tensões de entrada e de saída e da corrente na carga.

Como cálcular este indutor para uma aplicação no modo contínuo pode ser visto na documentação disponibilizada pela Texas "Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies".

 

 

Aplicações Práticas

Nas aplicações práticas as etapas de redução de tensão (buck) podem operar tanto no modo contínuo como no modo descontínuo dependendo apenas de como a corrente de carga varia. Assim a escolha do modo de funcionamento depende da aplicação que se tem em mente e ela define os valores dos componentes que devem ser usados..

Alguns componentes deste circuito se tornam críticos, por este motivo, como por exemplo a indutância.

No modo contínuo as etapas normalmente são projetadas para operar com correntes de carga que correspondam a 5 ou 10% da carga total máxima. A faixa de tensões de entrada, tensões de saída e correntes de carga são definidas pelas especificações potência desta etapa.

Existem então procedimentos que devem ser observados para se calcular o valor mínimo que o indutor deve ter para manter a etapa funcionando no modo contínuo.

A seleção do indutor admite muitas opções que vão desde o próprio enrolamento pelo projetista até a utilização de tipos comerciais.

Especial atenção deve ser dada ao tipo de núcleo usado, que pode ser responsável por interferências, conforme mostramos no artigo anterior desta série.

Os tipos de "slug" são os mais baratos mas que têm maior nível de interferências. Os tipos toridais, por outro lado apresentam menor nível de irradiação de ruído mas são mais caros.

Temos também os tipos de núcleo R-I ou E-E que mantém baixo nível de radiação de ruídos e os tipos "pot core" que  possui excelente características de ruído, já que o fluxo magnético fica contido a esta núcleo.

Evidentemente a escolha da tecnologia usada para o indutor está ligada a diversos fatores como a corrente que deve ser conduzida, a potência do estágio, a presença de circuitos sensíveis nas proximidades, custo e outros.

A capacitância de saída é outro ponto para o qual o projetista deve estar atento.

A função do capacitor de saída nas fontes chaveadas com etapas do tipo "boost" é armazenar energia no campo elétrico entre as armaduras.

Esta energia é entregue ao circuito de saída com a finalidade demanter assim a tensão constante na carga.

O principal fator que determina o valor do capacitor de saída é o ripple que deve ser mantido pelas especificações do projeto. Juntamente com o indutor, o capacitor formam um filtro e este filtro deve ter características que mantenha o ripple de saída dentro dos limites exigidos pelo projeto.

O terceiro elemento que deve ser levado em conta no projeto é a corrente de carga.

Na prática devem ser usados capacitores com baixa ESR (quivalent series resistance) e ESL (Equivalent series inductance).

Para aplicações comerciais de baixo custo podem ser usados capacitores de três tecnologias: alumínio de baixa impedância, semicondutor  orgânico e tântalo. Os capacitores eletrolíticos de alumínio são os mais baratos mas possuem maior ESR do que os outros.

Os tipos eletrolíticos semicondutores orgânicos se tornaram uma opção interessante nos últimos anos, como os da sérioe OS-COM da Sanyo reunindo baixa ESR e alta estabilidade na faixa de temperatura além de grande capacitância em dimensões reduzidas. Finalmente temos os capacitores de tântalo sólido para montagem em superfície.

O diodo também é um elemento importante no projeto.

Este componente é polarizado de modo a operar com uma condução alternada na velocidade de chaveamento do circuito.

Os diodos usados devem ser de comutação rápida, devem ter uma tensão de ruptura de acordo com o projeto, alta capacidade de corrente e baixa queda de tensão quando polarizados no sentido direto.

A melhor solução para a os projetos de etapas de baixas tensões é um diodo Schottky.

 

Circuitos Práticos

A Texas Instruments  através de sua empresa Unitrode Products possui uma linha de conversores tipo buck que operando a partir de tensões de 1 V podem obter na saída tensões na faixa de 3,3 V a 5 V em diversas configurações práticas.

A família TPS62103 consiste em conversores do tipo "boost" (abaixadores de tensão) de baixa tensão que utilizam apenas um indutor e que são otimizados para operar com uma tensão de entrada de 2,5 V a 9 V, reduzindo-as para saídasna faixa de 0,8 a 8 V (dependendo do tipo) com correntes de saída de até 500 mA.

Os componentes desta família são disponíveis em quadro frequências de chaveamento: 300 kHz, 600 kHz, 1 MHz e 2 MHz.

Dentre as possíveis aplicações para esta família de componentes, estão os pagers e assistentes digitais pesoais, que exigem alta eficiência na conversão de tensões., GPS, PDAs.

Na figura 8 temos o diagrama de blocos internos para os componentes desta família já com os componentes externos ligados numa aplicação típica.

 

Todos os componentes podem ser encontrados em invólucros de 8 pinos do tipo D ou N.

 

Características Gerais Para o UCC2941-3

Parâmetro

Valor

Vcc (max)

9 V

Vcc (min)

2.5 V

Vout (max)

8 V

Vout (min)

0.8 V

Vout - Precisão

3 %

Corrente de Saída

500 mA

Eficiência Típica (max)

92 %

Iq (tip)

0,164 mA

Current de Shutdown (tip)

1 uA

Frequência de Chaveamento (max)

600 kHz a 2 MHz (*)

 

(*) Conforme sufixo

 

Destaques da Família TPS2103:

* Auto Modo Duplo para alta eficiência com cargas pequenas

* Sincronizavel extrnamente

* Ciclo ativo de 0 a 100%

* Correntes de standby e quiescente baixas

* Invólucro SOIC de 8 pinos

* Possui 4 versões de frequ6encia PWM

 

 

Conclusão

A Texas Instruments disponibiliza um kit de desenvolvimento.

Para saber mais, os leitores que dominam o inglês podem fazer o download do documento "Understanding Buck Power Stages in Swiitchmode Powersupplies - SLVA057 - no site da Texas Instruments - http://www.ti.com

 


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