A maioria dos sistemas eletrônicos necessita de algum tipo de conversão entre a tensão de alimentação e a tensão do circuito a ser fornecida. Quando a bateria perde a carga, a tensão cai. Algumas conversões DC-DC podem garantir que mais energia armazenada na bateria seja usada para alimentar o circuito. Além disso, se usarmos linhas de 110 V CA, não poderemos fornecer energia diretamente a semicondutores, como microcontroladores. Como quase todos os sistemas eletrônicos utilizam conversores de tensão (também conhecidos como fontes de alimentação), eles foram otimizados para diferentes usos ao longo dos anos. É claro que as metas de otimização geralmente são tamanho da solução, eficiência de conversão, EMI e custo.

Fonte de alimentação simples: LDO

Uma das formas simples de fonte de alimentação é o regulador de baixa queda (LDO). LDO é um regulador linear em oposição ao regulador de comutação. O regulador linear coloca um resistor ajustável entre a tensão de entrada e a tensão de saída, o que significa que não importa como a tensão de entrada muda, qual corrente de carga está passando pelo equipamento, a tensão de saída é fixa. A Figura 1 mostra o princípio básico deste conversor de tensão simples.

Figura 1. O regulador de tensão linear converte uma tensão em outra.

Por muitos anos, o conversor de energia típico é composto por um transformador de 50 Hz ou 60 Hz, que é conectado à rede elétrica e gera uma tensão de saída instável com uma certa relação de enrolamento, que é vários volts superior à tensão de alimentação necessária em o sistema. Em seguida, um regulador linear é usado para converter essa tensão em uma tensão regulada estável exigida pelos produtos eletrônicos. A Figura 2 mostra o diagrama de blocos deste conceito.

2. Transformador de linha seguido de regulador de tensão linear.

O problema com a configuração básica na Figura 2 é que o transformador de 50 Hz/60 Hz é relativamente volumoso e caro. Além disso, o regulador linear também emite muito calor, portanto a eficiência geral do sistema é baixa, sendo difícil eliminar o calor gerado devido à alta potência do sistema.

Para evitar as desvantagens da fonte de alimentação mostrada na fig. 2, a fonte de alimentação do modo de comutação foi inventada. Eles não dependem de tensão CA de 50 Hz ou 60 Hz, mas usam tensão CC, às vezes retificam a tensão CA, geram tensão CA de frequência mais alta para usar transformadores menores ou usam filtro LC para retificar a tensão para gerar tensão de saída CC em sistema não isolado . A vantagem é que a solução é pequena em tamanho e relativamente baixa em custo. A tensão CA gerada não precisa ser uma forma de onda de tensão senoidal. A forma de onda do sinal PWM simples pode funcionar bem e pode ser facilmente gerada usando gerador e interruptor PWM.

Até 2000, os transistores bipolares eram interruptores comumente usados. Eles têm bom desempenho, mas a velocidade de comutação é relativamente baixa. A eficiência não é alta e a frequência de comutação é limitada a 50 kHz ou 100 kHz. Hoje em dia, usamos MOSFET de comutação em vez de transistor bipolar, e a velocidade de comutação é muito mais rápida. Por outro lado, a perda de comutação é menor e a frequência de comutação chega a 5 MHz. Uma frequência de comutação tão alta permite que o estágio de potência use indutância e capacitância muito pequenas.

A comutação de reguladores traz muitas vantagens. Eles geralmente fornecem conversão de tensão de alta eficiência, permitem aumento e redução e fornecem um design relativamente compacto e de baixo custo. A desvantagem é que o processo de projeto e otimização é complicado, e a conversão de comutação e a frequência de comutação também produzirão EMI. Regulador de fonte de alimentação de modo de comutação e LTpowerCAD® E LTspice® A disponibilidade de ferramentas de projeto de fontes de alimentação simplificou bastante esse difícil processo de projeto. Com essas ferramentas, o processo de projeto de circuito de fonte de alimentação comutada pode ser semiautomatizado.

Isolamento na fonte de alimentação

Ao projetar uma fonte de alimentação, a primeira questão a ser respondida é se o isolamento elétrico é necessário. O isolamento elétrico é usado por vários motivos. Ele pode melhorar a segurança do circuito, permitir a operação do sistema flutuante e evitar que a corrente de aterramento ruidosa se espalhe por diferentes dispositivos eletrônicos em um circuito. Duas topologias de isolamento comuns são o conversor flyback e o conversor direto. Porém, para potências maiores, outras topologias de isolamento como push-pull, meia ponte e ponte completa são utilizadas.

Se o isolamento elétrico não for necessário, uma topologia não isolada será usada na maioria dos casos. A topologia sempre requer um transformador, e esse tipo de equipamento costuma ser caro e volumoso, e geralmente é difícil conseguir equipamento pronto para uso que atenda aos requisitos exatos da fonte de alimentação personalizada.

Topologias mais comuns quando o isolamento não é necessário

A topologia comum de fonte de alimentação em modo de comutação não isolada é o conversor buck, também conhecido como conversor buck, que recebe uma tensão de entrada positiva e gera uma tensão de saída inferior à tensão de entrada. É uma das três topologias básicas de fonte de alimentação comutada e precisa apenas de duas chaves, um indutor e dois capacitores. A Figura 3 mostra o princípio básico desta topologia. O switch de última geração envia corrente de pulso do terminal de entrada e gera uma tensão de modo de comutação, que alterna entre a tensão de entrada e a tensão de terra. O filtro LC obtém a tensão de pulso no nó da chave e gera uma tensão de saída CC. De acordo com a relação de serviço do sinal PWM do switch de última geração, diferentes níveis de tensões de saída CC são gerados. Este conversor buck DC-DC tem alta eficiência, é relativamente fácil de construir e requer poucos componentes.

Figura 3. Conceito de conversor buck simples.

O conversor Buck emite corrente pulsada na entrada, enquanto a saída possui corrente contínua do indutor. É por isso que o ruído do conversor Buck é muito alto na entrada, mas não tão alto na saída. É importante saber isto ao projetar um sistema de baixo ruído.

Além da topologia buck, a segunda topologia básica é a topologia boost. A topologia boost usa os mesmos cinco elementos básicos de potência da topologia buck, mas após o rearranjo, o indutor é colocado na entrada e a chave do lado alto é colocada na saída. A topologia Boost é usada para aumentar uma tensão de entrada para uma tensão de saída superior à tensão de entrada.

Figura 4. Conceito de conversor boost simples.

Ao escolher um conversor boost, é importante observar que a corrente de chaveamento nominal máxima é sempre especificada na folha de dados do conversor boost, ao invés da corrente máxima de saída. No conversor buck, a corrente de comutação máxima está diretamente relacionada à corrente de saída máxima alcançável e não tem nada a ver com a relação de tensão entre a tensão de entrada e a tensão de saída. No regulador boost, a relação de tensão afeta diretamente a corrente de saída máxima possível com base na corrente de comutação máxima fixa. Ao escolher o IC regulador de reforço apropriado, você deve conhecer não apenas a corrente de saída necessária, mas também as tensões de entrada e saída projetadas no desenvolvimento.

O ruído do conversor boost na entrada é muito baixo, porque a indutância consistente com a conexão de entrada pode impedir que a corrente mude rapidamente. Porém, na extremidade de saída, o ruído desta topologia é muito grande. Vemos apenas a corrente de pulso fluindo através do comutador externo, portanto prestamos mais atenção à ondulação de saída do que à topologia buck.

A terceira topologia básica é o conversor buck-boost inversor, que consiste em apenas cinco componentes básicos. Este conversor pega uma tensão de entrada positiva e a converte em uma tensão de saída negativa, daí seu nome. Além disso, a tensão de entrada pode ser superior ou inferior ao valor absoluto da tensão de saída invertida. Por exemplo, a tensão de saída de –12 V pode ser gerada a partir de 5 V ou 24 V na entrada. Isto pode acontecer sem qualquer modificação especial no circuito. A Figura 5 mostra o conceito de circuito do conversor inversor buck-boost.

Figura 5. Conceito de conversor buck-boost inversor simples.

Na topologia buck-boost invertida, o indutor é aterrado no nó de comutação. Existem correntes de pulso na entrada e na saída do conversor, portanto o ruído na entrada e na saída desta topologia é alto. Em aplicações de baixo ruído, esta característica é compensada pela adição de filtragem adicional de entrada e saída.

Um aspecto vantajoso da topologia buck-boost invertida é que qualquer CI regulador de comutação buck pode ser usado neste conversor. Contanto que a tensão de saída do circuito buck esteja conectada ao terra do sistema. O aterramento do circuito abaixador do IC se tornará a tensão negativa ajustada. Esse recurso torna a escolha do CI regulador de comutação em todo o mercado.

Topologia especial

Além das três topologias básicas de fonte de alimentação em modo de comutação não isolada discutidas anteriormente, há muitas topologias disponíveis. No entanto, todos eles requerem componentes de energia adicionais. Isso geralmente aumenta o custo e reduz a eficiência de conversão de energia. Embora existam algumas exceções, adicionar componentes extras no caminho da fonte de alimentação geralmente aumenta a perda. Algumas topologias comuns incluem SEPIC, Zeta, UK e buck-boost de 4 switches. Todos eles possuem funções que as três topologias básicas não possuem. A seguir está uma lista de recursos importantes de cada topologia:

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SEPIC:SEPIC pode gerar uma tensão de saída positiva a partir de uma tensão de entrada positiva maior ou menor que a tensão de saída. O IC do regulador de reforço pode ser usado para projetar a fonte de alimentação SEPIC. A desvantagem desta topologia é que ela requer um segundo indutor ou um indutor de acoplamento e um capacitor SEPIC.

02

Zeta: Este conversor Zeta é semelhante ao SEPIC, mas pode gerar tensão de saída positiva ou negativa. Além disso, não possui ponto zero no meio plano direito (RHPZ), simplificando assim o circuito de regulação. O conversor Buck IC pode ser usado nesta topologia.

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Reino Unido: O conversor do Reino Unido pode converter tensão de entrada positiva em tensão de saída negativa. Ele utiliza dois indutores, um na entrada e outro na saída, portanto o ruído na entrada e na saída é muito baixo. A desvantagem é que não existem muitos CIs de conversão de energia em modo de comutação que suportem esta topologia, porque o circuito de regulação precisa de pinos de realimentação de tensão negativa.

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 4Switching buck-boost: Este tipo de conversor tornou-se muito popular nos últimos anos. Ele fornece uma tensão de saída positiva a partir de uma tensão de entrada positiva. A tensão de entrada pode ser maior ou menor que a tensão de saída regulada. Este conversor possui maior eficiência de conversão de energia e precisa apenas de um indutor, por isso substitui muitos projetos SEPIC.Topologia de isolamento comum

Além da topologia não isolada, algumas aplicações requerem conversores de energia eletricamente isolados. A razão pode ser que, por razões de segurança, o aterramento flutuante seja necessário em grandes sistemas com diferentes circuitos conectados entre si, ou seja necessário para evitar o loop de corrente de aterramento em aplicações sensíveis a ruído. Topologias comuns de conversores isolados são conversor flyback e conversor direto.

Os conversores Flyback são normalmente usados ​​para níveis de potência de até 60 W. O modo de funcionamento do circuito é que a energia elétrica seja armazenada no transformador durante o tempo de condução. Quando desconectado, a energia elétrica é liberada para o lado secundário do conversor para fornecer energia para a saída. Este conversor é fácil de construir, mas requer um transformador relativamente grande para armazenar toda a energia elétrica necessária para a operação normal. Por um lado, esta topologia está limitada a um nível de potência inferior. A Figura 6 mostra o conversor flyback na parte superior e o conversor forward na parte inferior.

6. Conversor flyback (superior) e conversor forward (inferior).

Além do conversor flyback, o conversor forward também é muito popular. Ele usa um transformador de maneira diferente de um conversor flyback. Durante o tempo de condução, embora a corrente flua através do enrolamento primário, a corrente também flui através do enrolamento secundário. A energia elétrica não deve ser armazenada na bobina do transformador. Após cada ciclo de chaveamento, devemos garantir que toda a magnetização da bobina seja liberada para zero, para que o transformador não fique saturado após vários ciclos de chaveamento. Várias tecnologias diferentes podem ser usadas para liberar energia elétrica da bobina. Uma maneira comum é usar um alicate ativo com pequenos interruptores e capacitores extras.

A Figura 7 mostra o diagrama esquemático do ambiente de simulação LTspice com projeto de fixação direta ativa usando ADP1074. No conversor forward, há uma indutância extra no caminho de saída que não é encontrada no conversor flyback, conforme mostra a Figura 6. Embora este componente adicional tenha o impacto relacionado ao espaço e ao custo, ele ajuda a produzir uma tensão de saída de ruído mais baixa em comparação com o conversor flyback. Além disso, no mesmo nível de potência do conversor flyback, o tamanho do transformador exigido pelo conversor direto pode ser muito menor.

Figura 7. Circuito clamp forward ativo usando ADP1074 para gerar tensão de saída isolada, conforme mostrado na simulação no LTspice.

Topologia de isolamento avançada

Além da topologia flyback e forward, existem muitos conceitos de conversores de isolamento elétrico baseados em diferentes transformadores. A lista a seguir fornece algumas explicações básicas sobre conversores comuns:

• Push-pull: A topologia push-pull é semelhante à topologia do conversor direto. No entanto, esta topologia requer dois comutadores ativos do lado inferior em vez de um comutador do lado inferior. Também é necessário um transformador primário com derivação central. Comparado com o conversor direto, o conversor push-pull tem as vantagens de menor ruído e transformador menor. A histerese da curva BH do transformador é usada em dois quadrantes em vez de um.
  

• Meia ponte/ponte completa: Essas duas topologias são geralmente usadas para projetos de maior potência, começando com várias centenas de watts e indo até vários quilowatts. Além dos interruptores do lado inferior, eles também precisam de interruptores do lado superior, mas podem obter alta transmissão de potência por meio de transformadores relativamente pequenos.
  

• ZVS: Este termo é geralmente mencionado quando se discute conversores isolados de alta potência. Significa Comutação de Tensão Zero. Outro termo para este tipo de conversor é conversor LLC (Indutância-Indutância-Capacitância). O objetivo dessas arquiteturas é alcançar uma conversão eficiente. Eles produzirão circuitos ressonantes e ligarão a chave liga / desliga quando a tensão ou corrente na chave se aproximar de zero. Desta forma, a perda de comutação é minimizada. No entanto, este tipo de projeto é difícil de realizar e a frequência de comutação não é fixa, às vezes causando problemas de EMI.

  
  

Conversor de capacitor comutado

Além de reguladores lineares e fontes de alimentação comutadas, existe um terceiro grupo de conversores de potência: conversores de capacitores comutados. Também conhecida como bomba de carga. Eles usam interruptores e capacitores para multiplicar ou inverter tensões. Uma grande vantagem é que não precisa de nenhuma indutância. Este tipo de conversor é normalmente utilizado para níveis de potência baixos abaixo de 5 W. No entanto, o recente progresso significativo permite conversores de capacitores chaveados mais potentes. A Figura 8 mostra o LTC7820 com eficiência de 98.5% e design de 120 W, que converte 48 V em 24 V.

Figura 8. Controlador DC-DC da bomba de carga de alta potência de taxa fixa LTC7820.

Fonte de alimentação digital

Todas as fontes de alimentação discutidas neste artigo podem ser implementadas como fontes de alimentação analógicas ou digitais. O que exatamente é uma fonte de alimentação digital? A alimentação deve sempre passar pelos níveis de potência analógicos de chaves, indutores, transformadores e capacitores. Os aspectos digitais são introduzidos por dois blocos de construção digitais:

• A primeira é a interface digital, através da qual o sistema eletrônico pode se comunicar com a fonte de alimentação. Diferentes parâmetros podem ser definidos instantaneamente para otimizar a fonte de alimentação para diferentes condições de trabalho. Além disso, a fonte de alimentação também pode se comunicar com o processador principal e causar um aviso ou sinal de falha. Por exemplo, o sistema pode monitorar facilmente a corrente de carga, exceder o limite predefinido ou se a temperatura da bateria estiver muito alta.
  

• O segundo módulo de construção digital usa loop digital em vez de loop de regulação analógico. Isso funciona bem, mas para a maioria das aplicações, é melhor adotar um loop de feedback analógico padrão que tenha uma certa influência digital em alguns parâmetros, como ajustar imediatamente o ganho do amplificador de erro ou definir dinamicamente os parâmetros de compensação do loop para obter um resultado estável, mas rápido. Loop de feedback.

Um exemplo de dispositivo com malha de controle puramente digital é o ADP1046A da ADI. Um exemplo de regulador buck de interface digital otimizado por influência digital e com malha de controle analógico é o LTC3883.

Considerações sobre EMI

A interferência eletromagnética (EMI) sempre foi um problema ao qual devemos prestar atenção ao projetar uma fonte de alimentação comutada. A razão é que a fonte de alimentação comutada alternará alta corrente em um curto espaço de tempo. Quanto mais rápida for a velocidade de comutação, melhor será a eficiência geral do sistema. Uma velocidade de comutação mais rápida pode reduzir o tempo de ativação parcial do switch. Durante esta parte do tempo ligado, ocorrerá a maior parte das perdas de comutação. A Figura 9 mostra a forma de onda da fonte de alimentação comutada no nó de comutação. Veja o regulador Buck como exemplo. A alta tensão é definida pela corrente através da chave do lado alto, enquanto a baixa tensão é definida por nenhuma corrente fluindo através da chave do lado alto.

Figura 9. Velocidade de comutação e frequência de comutação da fonte de alimentação comutada.

Como pode ser visto na fig. 9, o ruído gerado pela fonte de alimentação do modo de comutação vem não apenas da frequência de comutação ajustada, mas também da velocidade de comutação que é muito maior que a frequência. Embora a frequência de comutação geralmente opere entre 500 kHz e 3 MHz, o tempo de comutação pode durar vários nanossegundos. No tempo de comutação de 1 ns, a frequência correspondente no espectro será de 1 GHz. Pelo menos estas duas frequências serão consideradas como perturbação de radiação eletromagnética e radiação conduzida. A oscilação da malha reguladora ou a interação entre a fonte de alimentação e o filtro também podem trazer outras frequências.

Existem duas razões para reduzir o EMI. A primeira razão é proteger o funcionamento de um sistema eletrônico alimentado por uma fonte de alimentação específica. Por exemplo, o ADC de 16 bits usado no caminho do sinal do sistema não deve captar o ruído de comutação da fonte de alimentação; A segunda razão é atender a alguns regulamentos EMI formulados por governos de todo o mundo para proteger as funções confiáveis ​​de diferentes sistemas eletrônicos ao mesmo tempo.

Existem duas formas de EMI, EMI irradiada e EMI conduzida. A maneira eficaz de reduzir a EMI irradiada é otimizar o layout da PCB e adotar tecnologias como Silent Switcher® da ADI. Essa tecnologia. Claro, também é eficaz colocar o circuito em uma caixa metálica blindada. No entanto, isto pode não ser prático e, na maioria dos casos, é dispendioso.

A EMI conduzida geralmente é atenuada por filtragem adicional. A seguir, será discutida a filtragem adicional para reduzir a radiação conduzida.

filtrar ondas

O filtro RC é um filtro passa-baixa básico. Entretanto, no projeto da fonte de alimentação, cada filtro é um filtro LC. Geralmente, basta adicionar alguns indutores em série, pois formará um filtro LC ou CLC junto com a capacitância de entrada ou saída da fonte chaveada. Às vezes, apenas capacitores são usados ​​como filtros, mas considerando a indutância parasita de linhas ou traços de energia, combinamos capacitores para formar um filtro LC. O indutor l pode ser um indutor com uma bobina ou um cordão de ferrite. O objetivo do filtro LC é, na verdade, um efeito passa-baixo, que permite a passagem de energia CC e atenua em grande medida a interferência de alta frequência. O filtro LC possui pólo duplo, podendo atingir uma atenuação de alta frequência de 40 dB/oitava. O filtro pode atingir uma queda de frequência relativamente acentuada. Projetar filtros não é fácil; No entanto, como os componentes parasitas do circuito (como a indutância de traço) produzirão efeitos, a modelagem do filtro também precisa modelar os principais efeitos parasitas. Isso torna o filtro analógico bastante demorado. Muitos projetistas com experiência em projeto de filtros sabem quais filtros funcionam bem e podem otimizar iterativamente um filtro para obter um novo projeto.

Ao projetar todos os filtros, é necessário considerar não apenas o comportamento do sinal pequeno, como a função de transferência do filtro no diagrama de Porter, mas também o efeito do sinal grande. Em qualquer filtro LC, a fonte de alimentação passará pelo indutor. Se a fonte de alimentação não for mais necessária na saída, a energia elétrica armazenada no indutor precisa ser liberada em algum lugar devido ao transitório repentino de carga. Ele carregará o capacitor do filtro. Se o filtro não for projetado para este pior caso, a energia elétrica armazenada poderá causar excesso de tensão, o que poderá danificar o circuito.

Finalmente, o filtro tem uma certa impedância. Esta impedância interage com a impedância do conversor de potência conectado ao filtro. Essa interação pode levar à instabilidade e oscilação. Ferramentas de simulação de dispositivos analógicos, como LTspice e LTpowerCAD, são úteis para responder a todas essas questões e projetar filtros excelentes. A Figura 10 mostra a interface gráfica do usuário dos designers de filtros no ambiente de design LTpowerCAD. Usar esta ferramenta para projetar filtros é muito simples.

Figura 10. Projeto do filtro de entrada do regulador Buck usando LTpowerCAD.

Switchers silenciosos

A interferência eletromagnética é difícil de parar. É necessária uma blindagem especial feita de um determinado material metálico. O custo de fazer isso é muito alto. Por muito tempo, os engenheiros têm procurado maneiras de reduzir os distúrbios da radiação eletromagnética causados ​​pelo modo de comutação da fonte de alimentação. Há alguns anos, a tecnologia Silent Switcher fez um grande avanço. Ao reduzir a indutância parasita no circuito térmico da fonte de alimentação comutada e dividir o circuito térmico em dois circuitos, que são dispostos de forma altamente simétrica, os distúrbios da radiação eletromagnética em sua maioria se cancelam. Hoje, muitos dispositivos Silent Switcher fornecem perturbações de radiação eletromagnética muito menores do que os produtos tradicionais. A redução da perturbação da radiação eletromagnética pode melhorar a velocidade de comutação sem EMI grave. Aumentar a velocidade de comutação pode reduzir a perda de comutação, aumentando assim a frequência de comutação. Um exemplo dessa inovação é o LTC3310S, que possui frequência de comutação de 5 MHz e utiliza componentes externos de baixo custo para obter um design bastante compacto.

O gerenciamento de energia é necessário, mas também pode ser divertido.

Neste artigo, discutimos muitos aspectos do projeto de fontes de alimentação, incluindo diferentes topologias de fontes de alimentação e suas vantagens e desvantagens. Esta informação é muito básica para engenheiros de energia, mas para especialistas e não profissionais, é útil usar ferramentas de software como LTpowerCAD e LTspice no processo de projeto. Com essas ferramentas, o conversor de potência pode ser projetado e otimizado em pouco tempo.

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