Como usar um conversor buck-boost para regular uma bateria de íons de lítio

Quase todos os dispositivos eletrônicos hoje dependem de uma bateria como fonte de energia. O conversor CC-CC desempenha um papel significativo na manutenção do tempo de funcionamento da bateria. Um conversor CC-CC buck-boost é a escolha ideal para a faixa de bateria mais eficiente e confiável.

O conversor buck-boost fornece a tensão regulada na faixa de baterias de lítio (íon de lítio) (uma escolha comum de bateria para dispositivos do dia a dia, como smartphones). Esses conversores são adequados quando a tensão de saída é maior ou menor que a tensão de entrada.

Para este projeto, usaremos um circuito integrado (IC) buck-boost 595-TPS63051RMWR. Este IC oferece 3,3 V/1 A na saída para uma gama completa de baterias de íons de lítio.

Design básico

Princípio da Operação
O IC de modo de comutação funciona com base no princípio de um mecanismo de comutação ou fonte de alimentação de modo comutado (SMPS). O IC de modo de comutação consiste em um oscilador e um circuito de comutação. O oscilador funciona para gerar a frequência desejada e o circuito de comutação inclui um transistor ou diodo como elemento de comutação.

Quando o circuito é ligado, o IC liga e desliga.

  • Durante o período ON, o elemento de armazenamento de energia carrega, fornecendo tensão regulada na saída.
  • Durante o período OFF, o armazenamento de energia e o elemento de filtragem de saída mantêm a tensão de saída.

Peças necessárias

Projeto de circuito

Os seguintes componentes são necessários para projetar o circuito conversor Buck-Boost, juntamente com um IC Buck-Boost.

1. Elemento armazenador de energia – o indutor
Todo regulador de comutação precisa de um elemento de armazenamento de energia para operar, e um indutor é uma boa escolha. Um indutor armazena energia na forma de um campo magnético. Porém, antes de escolher o indutor, é importante calcular a corrente nominal para evitar saída não regulada ou saturação do circuito.

É necessário calcular a corrente de pico do indutor durante a operação do circuito usando a equação abaixo (Eq. 1).

Ipico = (Iout / η(1-D)) + (Vin D/2fL)……Eq. 1

Como estamos usando um IC fixo de 3,3V, não é necessário se preocupar com o valor do indutor. Normalmente, para CIs de modo de comutação fixo, o valor necessário do indutor já está em sua folha de dados. Mas é importante notar que podemos alterar o valor do indutor e calcular sua corrente nominal usando a equação acima.

2. Capacitor do elemento filtrante
Os capacitores filtram e eliminam picos de tensão na fonte de alimentação. Em um conversor chaveado, o capacitor desempenha duas funções:

  • Fornece filtragem
  • Serve como fonte de energia para gerenciar a resposta transitória de saída

Como a ficha técnica deste CI de modo de comutação possui um valor predefinido para os capacitores IN e OUT, podemos utilizá-los diretamente em nosso circuito.

3. Divisor de resistor de rede de feedback
A rede de feedback ajuda a regular a tensão de saída. Esta rede é um divisor de resistor. Alguns IC de modo de comutação fixa incorporam esta rede de feedback internamente.

Isso completa o requisito básico do circuito do IC de modo de comutação. Agora, vamos discutir os recursos extras do IC TPS63051RMWR.

Recursos do IC:

  1. Limite de corrente de entrada ajustável
  2. Modo PFM/PWM
  3. Início suave
  4. Potência boa
  5. Proteção contra sobretensão
  6. Desligamento térmico
  7. Proteção contra curto-circuito de saída
  8. Bloqueio de subtensão

Descrição do pino:

1. EN (Ativar) – HIGH (nível de tensão para definir alto 1,2 V-5,5) IC habilitado, LOW (tensão máxima para definir LOW 0,3 V) IC desabilitado

ILIM1 e ILM0 – Define o limite de corrente de entrada

2. PFM/PWM e eficiência

  • Seleção do modo PFM – Baixo/0
  • Seleção do modo PWM – Alto/1

Eficiência em ambos os modos:

  • Modo PWM – Boa eficiência para 350mA e acima
  • Modo PFM – Boa eficiência para cargas mais leves

Para alternar entre esses dois modos, basta selecionar o modo PFM/PWM.

3. SS (partida suave) – Partida suave ajustável. O circuito define o tempo de partida suave padrão quando este pino fica flutuando. O período padrão no modo Buck – 280us e no modo Boost – 600us.

4. PG (poder bom) – Este é um pino de saída usado para detectar a regulação de energia do sistema. O pino PG só é definido como HIGH quando a saída está presente e requer um resistor pull-up que se conecta a uma tensão inferior a 5,5V.

Limite de corrente de saída do conversor

  • Para uma tensão de entrada, Vin = 2,5-3,3V Modo Buck
  • Para uma tensão de entrada, Vin = modo Boost de 3,3-5,5V

NOTA: No “modo Boost”, a corrente de saída máxima é 500mA e no “modo Buck” é 1A.

O valor da corrente de saída depende da corrente de entrada. Se limitarmos a corrente de entrada (ver tabela acima), a saída também será limitada.

A equação para a corrente de saída do modo Buck e Boost é:

  • Aumente a corrente de saída, Ifora = η.IEM(1-D)
  • Corrente de saída Buck, Ifora = η.IEM/D

Pontos chave
Projetamos o circuito de acordo com a aplicação. Porém, inicialmente, nosso circuito não funcionou conforme o esperado. Forneceu tensão zero nos terminais de saída.

As possíveis causas:

  • Um problema de soldagem
  • Componente(s) defeituoso(s)
  • Um projeto de circuito defeituoso
  • Um problema de PCB, assim como curto ou continuidade

Depois de avaliar essas causas potenciais, descobrimos um problema no projeto do circuito.

Revisão e retificação
O projeto do circuito possui três linhas de sinal: PFM/PWM, ILIM1 e ILIM0. As linhas de sinal fornecem uma certa tensão ao dispositivo para ativá-lo ou desativá-lo ou para selecionar um modo definido no dispositivo. Essas linhas transportam uma corrente baixa (uA), geralmente conhecida como corrente de base ou quiescente.

Em nosso projeto inicial, conectamos os pinos de sinal diretamente ao VCC, o que permite uma alta corrente através desses pinos. Para um funcionamento ideal, devemos adicionar um resistor pull-up para limitar a corrente, o que resolve o problema.

Observação prática

  • Limite atual – IIN_max. Pinos VILM1 e VILM0 ALTOS (em Vin)
  • Modo de impulsoIout(máx.) – 500mA

  • Limite atual- IIN_máx. Pinos VILM1 e VILM0 HIGH (em Vem)
  • Modo BuckEUfora (máx.) –1A

Desempenho do CI
Eficiência no modo Boost – 85% para carga <200mA
– 70% para carga >200mA

Eficiência no modo Buck – 96% para carga <200mA
– 75% para carga >200mA

Modo de impulso

Modo Buck

Gerenciamento termal
Cada componente dissipa calor quando a corrente extraída dele aumenta. Às vezes o calor gerado é tão alto que o componente falha, por isso precisamos do dissipador para dissipar o calor extra.

Aplicativo

  • Dispositivos portáteis
  • Alimentação CC regulada
  • Para uso com uma única bateria de íons de lítio ou duas células de bobina de 1,5V

Precauções
Um capacitor deve ser conectado entre o pino IN e o terra para regular a tensão de entrada CC. O capacitor do circuito deve ter uma tensão nominal mais alta que a tensão de alimentação de entrada. Caso contrário, o capacitor irá vazar corrente de suas placas (e potencialmente estourar) devido ao excesso de tensão.

Alguns outros pontos importantes:

  • É fundamental garantir todo o capacitor é descarregado antes de trabalhar em uma fonte de alimentação CC.
  • A corrente nominal do indutor deve ser 1,15 vezes maior que a corrente de saída. NÃO use uma tensão de entrada mais alta do que a faixa de tensão de entrada operacional.
  • Evite curto-circuitar os terminais de saída – isso reverterá o fluxo de corrente no IC, causando falha ou falha.
  • Evite curto-circuitar os terminais de entrada – isso gerará uma grande corrente no circuito e os componentes do circuito falharão.
  • Não puxe diretamente para baixo ou para cima os pinos de sinal (pinos PWM/PFM e ILIM1/ILM0), pois isso permitirá que uma alta corrente flua através do pino de sinal. Sempre conecte uma resistência de 10k nos pinos de sinal para limitar a corrente quiescente.

Diretrizes de design de PCB

  • Mantenha os traços de energia grossos e curtos
  • Coloque o capacitor de entrada e saída o mais próximo possível dos pinos de entrada e saída do IC
  • Minimize o comprimento do caminho do indutor
  • Mantenha a tensão e os nós de comutação afastados um do outro

Layout da placa de circuito impresso

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