Projetando um conversor Buck não isolado de circuito aberto (Parte 5/12)

Continuando a série SMPS, agora é hora de projetar o Buck Converter SMPS. Nesta série, os seguintes circuitos SMPS são projetados –
1. Conversores de reforço –
a) Conversor de reforço de loop aberto
b) Conversor de reforço de circuito fechado
c) Conversor Open Loop Boost com saída ajustável
d) Conversor Boost de Loop Fechado com Saída Ajustável
2. Conversores Buck –
a) Conversor Buck de Loop Aberto
b) Conversor Buck de circuito fechado
c) Conversor Buck de Loop Aberto com Saída Ajustável
d) Conversor Buck de circuito fechado com saída ajustável
3. Conversores Buck-Boost
a) Buck Inversor de Loop Aberto – Conversor Boost
b) Buck Inversor de Loop Aberto – Conversor Boost com Saída Ajustável
4. Conversor Flyback
5. Conversor push-pull
O design do Boost Converter SMPS já foi discutido nos tutoriais anteriores. Neste tutorial, um conversor buck de malha aberta SMPS será projetado. O Buck Converter também é uma das topologias do SMPS (Switched Mode Power Supply). Este tipo de SMPS reduz a tensão CC, ao contrário dos conversores Boost, que aumentam a tensão CC. Portanto, o conversor Buck também é um conversor redutor DC para DC no qual a tensão de saída é sempre menor que a tensão de entrada.
Ao contrário dos reguladores lineares que reduzem a tensão CC dissipando o calor, os conversores Buck reduzem a tensão CC através de reguladores de comutação e também aumentam a corrente de saída. De acordo com a lei da conservação de energia, a potência de entrada deve ser igual à potência de saída.
Alfinete = beicinho
Vin*Iin = Vout*Iout
Portanto, no conversor Buck, como a tensão de entrada (Vin) é maior que a tensão de saída (Vout), a corrente de entrada (Iin) é sempre menor que a corrente de saída (Iout). Os reguladores de comutação proporcionam mais eficiência de até 90% se o SMPS for projetado adequadamente.
Um conversor Buck pode ser projetado de duas maneiras –
Conversor Buck de malha aberta – No conversor Buck de malha aberta, não há feedback da saída para a entrada, ao contrário do circuito fechado que possui um circuito de feedback. Portanto, a saída de um conversor buck de malha aberta não é regulada.
Conversor Buck de malha fechada – No conversor Buck de malha fechada, há um feedback da saída para a entrada. Portanto, a saída de um conversor buck de malha fechada é regulada.
Existem certos parâmetros de projeto envolvidos no projeto do conversor buck. É importante compreender esses parâmetros de projeto. Qualquer conversor Buck pode operar em qualquer um dos dois modos de operação possíveis. Esses modos de operação são os seguintes –
Modo de Condução Contínua (CCM)- No CCM, a corrente no indutor é contínua em todo o ciclo do período de comutação. Assim, uma tensão regulada na saída é obtida, mas a saída é regulada somente se a corrente for consumida dentro dos limites do CCM.
Modo de condução descontínua (DCM) – Neste modo, a corrente no indutor está pulsando e torna-se zero durante uma parte do tempo de comutação. Portanto, uma tensão regulada não é recebida no DCM. Porém, a tensão pode ser regulada conectando um circuito de feedback da saída à entrada.
Neste tutorial, um conversor buck não isolado é projetado, o que significa que a entrada e a saída compartilham o mesmo terreno. O conversor Buck projetado neste projeto reduzirá 12 V DC para 5 V DC com um limite de tolerância de +/- 0,5 V. Uma vez projetado e montado o circuito, o valor da tensão e corrente de saída será observado usando um multímetro. Esses valores indicarão a eficiência do conversor Buck projetado no projeto.

Componentes necessários –

Lista de componentes necessários para o conversor Open Loop Buck
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o conversor Open Loop Buck

Diagrama de bloco –

Diagrama de blocos do conversor Buck de loop aberto
Fig. 2: Diagrama de blocos do conversor Buck de circuito aberto

Conexões de Circuito –

Neste projeto, um conversor buck de malha aberta operando no modo CCM é projetado e os valores dos componentes de acordo com as equações padrão do CCM são calculados para a saída desejada.
O conversor buck possui os seguintes blocos de circuito –

1. Fonte CC –

Uma bateria de 12 V é usada como fonte de alimentação de entrada no circuito.

2. Oscilador e mecanismo de comutação –

Para fins de comutação, um transistor e um diodo são usados ​​como componentes de comutação.
Os componentes de comutação devem operar em uma frequência específica. Esta frequência é gerada através de um circuito oscilador. Neste projeto, o Arduino UNO é usado para gerar um sinal PWM que fornece a frequência necessária. Qualquer outra placa Arduino como Arduino Mega também pode ser usada. Na verdade, qualquer microcontrolador ou placa de microcontrolador que possa gerar PWM pode ser usado no circuito. Arduino é escolhido porque é a placa de prototipagem mais popular e pode ser facilmente programada. Devido ao grande suporte da comunidade, é fácil aprender e trabalhar no Arduino. O sinal PWM é um trem de pulso usado para ligar e desligar o MOSFET. O MOSFET é usado como transistor de comutação no circuito.
Para fins de comutação, um transistor e um diodo são usados ​​como componente de comutação. Para a seleção do transistor, o MOSFET é escolhido, pois os FETs são conhecidos por sua rápida velocidade de comutação e baixo RDS (ON) (dreno para resistência da fonte no estado LIGADO). Nesta configuração, o MOSFET é conectado na configuração high-side. Como no lado alto, o MOSFET de canal N requer um circuito Bootstrap ou um IC Gate Driver para seu acionamento, o que torna o driver mais complicado. Um MOSFET de canal P (mostrado como Q1 no diagrama de circuito) é usado no circuito, pois não requer um Gate Driver em seu lado alto, mas possui Rds (On) altos em comparação com N-MOS. Isso resulta em mais perda de energia. O MOSFET utilizado no circuito tem sua tensão limite em torno de 10V a 12V.
O tempo de comutação do MOSFET e do diodo deve ser menor que o tempo de subida e descida da onda PWM. O diodo deve oferecer baixa queda de tensão na polarização direta e o RDS (ON) do MOSFET deve ser baixo. Sempre deve ser usada uma resistência de porta para fonte para evitar qualquer acionamento indesejado do MOSFET por ruído externo. Também ajuda a desligar rapidamente o MOSFET, descarregando sua capacitância parasita. Um valor baixo do resistor (10E a 500E) pode ser usado na porta do MOSFET. Isso resolverá o problema de toque (oscilações parasitas) e corrente de partida no MOSFET. O nível de tensão do sinal PWM deve ser maior que a tensão limite do MOSFET. Para que o MOSFET possa ser LIGADO totalmente com RDS mínimo (ON).
O MOSFET não pode ser acionado pelo microcontrolador, pois o microcontrolador pode gerar apenas um sinal PWM de 5V. Portanto, um IC IR2110 adicional é usado no circuito para gerar um sinal PWM de 12V e a entrada para o IR2110 é fornecida pelo microcontrolador. IR2110 é um driver lateral alto e baixo. É um driver MOSFET e IGBT de potência de alta velocidade (operacional em alta frequência) com canais de saída independentes referenciados nos lados alto e baixo. Os canais flutuantes podem operar até 500 V ou 600 V. O IC é compatível com lógica de 3,3 V, por isso pode ser usado com qualquer microcontrolador. O IC vem em um pacote PDIP de 14 derivações. IR2110 tem a seguinte configuração de pinos –
Tabela de listagem de configuração de pinos do IC IR2110
Fig. 3: Tabela listando a configuração dos pinos do IC IR2110
Outro componente de comutação usado no circuito é um diodo. O tempo de comutação do diodo deve ser menor que o tempo de subida e descida da onda PWM. A placa Arduino gera uma onda PWM com tempo de subida de 110ns e tempo de queda de 90ns. A queda de tensão direta do diodo também deve ser muito baixa, caso contrário dissipará energia, o que reduzirá ainda mais a eficiência do circuito. O diodo deve oferecer baixa queda de tensão na polarização direta e o RDS (ON) do MOSFET deve ser baixo. Portanto, neste experimento, é selecionado um diodo BY399 que melhor se adapta ao projeto do circuito.
Antes de gerar o sinal PWM, a frequência de comutação do circuito precisa ser decidida. Para este conversor Buck, uma frequência de comutação de 20kHz é selecionada, o que funcionará bem para este projeto de conversor.
O ciclo de trabalho do sinal PWM gerado é outra consideração importante, pois decidirá o estado ativo do MOSFET. O ciclo de trabalho pode ser calculado da seguinte forma –
Ciclo de trabalho, D% = (Vout/Vin)*100
Tensão de saída desejada, Vout = 5V
Tensão de entrada, Vin = 12V
Colocando todos os valores,
D% = 40% (aprox.)
Para gerar sinal PWM de 20 kHz com ciclo de trabalho de 40%, a placa Arduino está programada. O esboço do Arduino necessário para gerar a saída PWM desejada está anexado no tutorial. Ele pode ser baixado e gravado em uma placa Arduino para uso.
Quanto maior for a frequência selecionada para os componentes de comutação, maiores serão as perdas de comutação. Isso diminui a eficiência do SMPS. Mas a alta frequência de comutação reduz o tamanho do elemento de armazenamento de energia e melhora a resposta transitória da saída.

3. Elemento de armazenamento de energia –

Um indutor é usado para armazenar energia elétrica na forma de campo magnético. Portanto, o indutor atua como um elemento de armazenamento de energia. Um indutor de valor de 9,5 mH é usado no circuito. Para um indutor, pode ser usada uma bobina secundária ou primária de um transformador, uma bobina de relé ou qualquer indutor padrão que tenha o valor de indutância desejado. O valor do indutor pode ser calculado pela equação padrão do CCM como segue –
Lmin>=(Vout *(1-Vout/Vin))/(Fs*2*Io(crítico))
Onde,
Lmin = valor mínimo do indutor
Tensão de saída desejada, Vout = 5V
Tensão de entrada, Vin = 12V
Frequência de comutação, Fs = 20kHz
Io(crítica) = Corrente mínima para manter o CCM, normalmente conhecida como corrente crítica
Como o valor do indutor depende da corrente crítica, o primeiro valor de Io (crítico) deve ser calculado da seguinte forma –
Io(crítico) = ((Vin – Vout)*Ton)/(2*L)
A partir das equações acima pode-se analisar que 'L' e 'Io' (crítico) são dependentes um do outro, portanto qualquer um dos dois valores deve ser assumido. Neste experimento, o valor da corrente de saída crítica é assumido como 10mA. Agora, o valor do indutor pode ser calculado da seguinte forma –
Lmin >= (5*(1-(5/12)))/(20*103*2*0,01)
Lmin >= 7,5mH
Este é o valor mínimo do indutor, portanto no circuito é utilizado um indutor de 9,5mH. A corrente nominal do indutor deve ser maior que a corrente de ondulação do indutor para que a corrente desejada na saída possa ser obtida.

4. Elemento de filtragem de saída –

Como elemento de filtragem, um capacitor (mostrado como C1 no diagrama do circuito) é usado na saída do circuito. Na operação normal do circuito conversor Buck, o transistor Q1 liga e desliga de acordo com a frequência do circuito oscilador. Isso gera um trem de pulso no indutor L1 e no capacitor C1, bem como no transistor Q1. Como o capacitor está conectado ao indutor no ciclo negativo e positivo do sinal PWM. Isso cria um filtro LC que filtra o trem do pulso para produzir uma CC suave na saída. O valor do capacitor pode ser calculado usando a seguinte equação de CCM –
Cmin >= DIL/(8*Fs*DVo)
Onde,
Cmin = valor mínimo do capacitor
DIL=Corrente de ondulação do indutor
DVo = Tensão de ondulação de saída
Assumindo DVo = 10mV
Agora, para calcular DIL,
DIL= 2*Io(crítico)
DIL = 2*10*10-3
DIL = 20mA
Ao colocar todo o valor,
Cmin >= (20*10-3)/(8*20*103*10*10-3)
Cmin >= 13uF
Como é o valor mínimo de capacitor necessário, então no circuito é utilizado um capacitor de valor padrão que pode estar facilmente disponível, portanto, é utilizado um capacitor de 100uF.
O valor do capacitor deve ser maior ou equivalente ao valor calculado. Para que seja capaz de fornecer a corrente e a tensão desejadas na saída. O capacitor usado no circuito deve ter uma tensão nominal mais alta que a tensão de saída. Caso contrário, o capacitor começará a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirá. É importante que todos os capacitores sejam descarregados antes de trabalhar em uma aplicação de fonte de alimentação CC. Para isso, os capacitores devem ser curto-circuitados com uma chave de fenda e luvas isoladas.

Como funciona o circuito –

Qualquer SMPS possui alguns componentes de comutação que ligam e desligam em alta frequência e possui algum componente de armazenamento que armazena a energia elétrica enquanto os componentes de comutação estão no estado de condução e descarregam a energia armazenada para o dispositivo de saída enquanto os componentes de comutação estão no estado não. -estado de condução.
Um conversor Buck simples consiste no indutor (L1), um diodo (D1), um capacitor (C1) e um transistor que atua como uma chave. Inicialmente, quando a chave está aberta, a corrente no circuito é zero. Quando pela primeira vez a chave é fechada, o indutor se opõe à mudança na corrente e produz uma tensão oposta em seu terminal. Isso torna o diodo polarizado reversamente. A queda de tensão no indutor neutraliza a tensão da fonte, o que resulta em menos tensão na saída. Com o passar do tempo, a taxa de variação da corrente diminui e a queda de tensão no indutor também diminui. Neste estado, o indutor passa a armazenar energia na forma de campo magnético. O capacitor de saída é carregado durante todo o estado LIGADO. A carga armazenada no capacitor fornece a corrente necessária para a carga no estado DESLIGADO.
Diagrama de circuito mostrando o estado ligado do componente de comutação no conversor Buck
Fig. 4: Diagrama de circuito mostrando o estado LIGADO do componente de comutação no conversor Buck
Quando a chave abre, a fonte de entrada é desconectada do circuito e a corrente começa a diminuir e se torna zero. Como o indutor armazenou energia no ciclo anterior, ele agora atua como fonte de energia. Conseqüentemente, o indutor cria uma polaridade através dele. Isto é oposto em polaridade como no estado ON. Isso torna o diodo polarizado diretamente e o indutor agora fornece a corrente para a carga através do diodo D1. Quando a carga armazenada no indutor começa a diminuir, a tensão de saída começa a cair. Agora o capacitor atua como uma fonte de corrente e continua fornecendo corrente para a carga até o próximo ciclo, ou seja, estado LIGADO. O efeito geral é que na saída é obtida uma pequena tensão CC com alta corrente de saída em comparação com a entrada.
Diagrama de circuito mostrando o estado DESLIGADO do componente de comutação no conversor Buck
Fig. 5: Diagrama de circuito mostrando o estado DESLIGADO do componente de comutação no conversor Buck
No estado ON, o Diodo estava em Modo de Bloqueio (OFF) e o Transistor estava ON. No estado OFF, o Diodo estava em modo de condução (ON) e o Transistor estava OFF. Portanto, um conversor Buck possui duas chaves, uma é um transistor e outra é o diodo. Por vez, apenas um deles conduz, enquanto o outro entra em estado de não condução.

Testando o circuito –

Este conversor Buck foi projetado para reduzir 12V DC para 5V DC.
Protótipo de conversor Buck de circuito aberto projetado em uma placa de ensaio
Fig. 6: Protótipo de conversor Open Loop Buck projetado em uma placa de ensaio
Neste circuito, Tensão de Entrada, Vin = 12V
Praticamente, Tensão da Bateria, Vin = 11,94V
Ao medir valores de tensão e corrente com diferentes cargas na saída, foram feitas as seguintes observações –
Tabela listando tensão e corrente de saída do conversor Buck de malha aberta para diferentes cargas
Fig. 7: Tabela listando a tensão e corrente de saída do conversor Buck de malha aberta para diferentes cargas
Assim, pode-se observar que uma corrente de 46 mA pode ser puxada na saída de 5V com limite de tolerância de +/-0,5V.
A eficiência energética do circuito com corrente de saída máxima de 46mA pode ser calculada da seguinte forma –
Eficiência% = (Pout/Pin)*100
(Potência de saída) Pout = Vout*Iout
(Tensão de saída) Vout = 4,62V
(Corrente de saída) Iout = 46mA
Faneca = 212mW (aprox.)
(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin
(Tensão de entrada) Vin = 12V
(Corrente de entrada) Iin = 20 mA (medida a corrente de entrada usando amperímetro)
Pino = 264mW
Colocando todos os valores,
Eficiência% = (212/264)*100
Eficiência% = 80%
Protótipo de conversor Buck de circuito aberto projetado em uma placa de ensaio
Fig. 8: Protótipo de conversor Open Loop Buck projetado em uma placa de ensaio
Pode-se ver que existem certas limitações deste circuito. A tensão de saída neste circuito não é regulada, ela varia para diferentes resistências de carga. Isso pode ser melhorado adicionando um circuito de feedback que ajuda a regular a tensão de saída. Um conversor Buck com circuito de feedback é projetado no próximo tutorial. Em segundo lugar, a eficiência deste projeto de conversor Buck é de 80% devido às perdas de potência no circuito. Existem perdas de comutação e condução de diodo e MOSFET, perdas nos enrolamentos que circundam o núcleo, perdas por correntes parasitas e perdas por histerese no indutor, perdas de capacitores devido a ESR (resistência equivalente em série), perdas devido a altos Rds(on) de P-MOS.
Este é um conversor buck de malha aberta com saída não isolada e operando no modo CCM. Ele pode ser usado como uma fonte de corrente de baixa perda para acionar LEDs ou alimentar dispositivos portáteis com alimentação própria. Também pode ser usado como interface entre bateria e componentes de CPU ou notebooks onde a demanda de tensão é menor que a tensão da bateria.

Código-fonte do projeto

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//Program to 

 Code for Buck Converter with Input voltage = 12V and Output voltage = 5V

 This code will generate a PWM (Pulse Width Modulation)signal of 20kHz with 60% duty cycle

 but desired duty cycle is 40%. 

 As in our experiment we are using a P-channel MOSFET, PMOS is triggered by negative voltage.

 So we need to set duty cycle of PWM signal to 60% so that duty cycle of the MOSFET can be 40%


 */


#define TOP 799                          // Fosc = Fclk/(N*(1+TOP), Fosc = 20kHz, Fosc = 16MHz

#define CMP_VALUE_HALF_DUTY  480       // OCR1A value for 60% duty cycle 

#define PWM 9                             // PWM(Pulse Width Modulation) wave at pin 9 


void setup  {

// put your setup code here, to run once:

  pinMode(PWM,OUTPUT);                        // set 9 pin as output             

  TCCR1A = 0;                                 //reset the register

  TCCR1B = 0;                                 //reset the register

  TCNT1 = 0;                                   //reset the register

  TCCR1A  = (1<

###

 

Diagramas de circuito

Circuito-Diagrama-Open-Loop-Buck-Conversor

Vídeo do projeto

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