Projetando uma fonte de alimentação comutada (SMPS)

Os engenheiros estão familiarizados com o termo Fonte de alimentação comutada ou SMPS. Uma vez compreendido o que realmente é o SMPS, suas inúmeras aplicações podem ser facilmente imaginadas.
Um SMPS é usado para converter a fonte de alimentação eletrônica de forma eficiente. É usado para fornecer energia a dispositivos sensíveis que requerem fonte de alimentação estável e com alta eficiência. Qualquer SMPS possui alguns componentes de armazenamento que armazenam energia elétrica para fornecer ao dispositivo de carga e alguns componentes de comutação que ligam e desligam em altas frequências, carregando e descarregando os componentes de armazenamento.
A energia é fornecida ao dispositivo de carga pela descarga do componente de armazenamento quando o componente de comutação está no estado de não condução. O uso de reguladores chaveados diferencia o SMPS dos reguladores lineares. O SMPS pode ser fonte CA para CC, CC para CC, CA para CA ou CC para CA. Nesta série sobre como projetar SMPS, são abordados SMPS CA para CC e CC para CC.
Os reguladores de comutação (como transistores) no SMPS alternam continuamente entre o estado LIGADO e DESLIGADO. Assim, eles passam muito menos tempo no estado de alta dissipação, o que reduz a dissipação de energia do sistema. Nos reguladores lineares, toda a potência é dissipada na forma de calor, o que reduz a eficiência geral do sistema. Devido ao uso de componentes de comutação que trabalham em alta frequência, o SMPS pode fornecer alta eficiência de até 95%. O SMPS pode ser usado no lugar de qualquer regulador linear quando é necessária alta eficiência e uma fonte de alimentação leve e de tamanho pequeno.
Imagem típica de SMPS
Figura 1: Imagem típica de SMPS
Nesta série, os SMPS são projetados usando diferentes topologias. Para projetar SMPS (tipo AC para DC), eles podem ser categorizados da seguinte forma –
Imagem mostrando diferentes tipos de SMPS
Fig. 2: Imagem mostrando diferentes tipos de SMPS
Primeiro, o SMPS pode ser amplamente categorizado em duas categorias –
1. SMPS não isolado
2. SMPS isolado
No SMPS não isolado a entrada e a saída compartilham o mesmo aterramento ou pode-se dizer que existe uma conexão elétrica entre a entrada e a saída. Já no SMPS Isolado a entrada e a saída são isoladas uma da outra por um transformador que dá segurança contra qualquer choque elétrico pela fonte de alimentação de entrada (CA).
Em SMPS não isolados, as topologias básicas de SMPS podem ser categorizadas com base na tensão de entrada-saída da seguinte forma –
1.Conversor de reforço – Neste SMPS, a tensão de saída é sempre maior que a tensão de entrada.
2. Conversor Buck– Neste SMPS, a tensão de saída é sempre menor que a tensão de entrada
3. Conversor Buck-Boost– Neste SMPS, a tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada
No SMPS isolado, existem duas topologias de SMPS que são projetadas nesta série. Eles são os seguintes –
4. Conversor push-pull
5. Conversor Flyback
Agora, as topologias mencionadas acima podem ser divididas em diferentes tipos, como segue –

1. Conversor Boost ou Conversor Buck

Nesta série de SMPS, um conversor Boost e um conversor Buck são projetados de quatro maneiras –
EU. Conversor Boost/Buck de Loop Aberto – Neste Conversor Boost, não há nenhum circuito de detecção de erros ou qualquer circuito de feedback. Portanto, a tensão de saída deste conversor Boost não será regulada.
II. Conversor Boost/Buck de Loop Fechado – Neste Conversor Boost haverá um circuito de detecção de erros ou circuito de feedback. Este circuito de feedback ajuda a regular a tensão de saída.
III. Conversor Boost/Buck de Loop Aberto com Saída Ajustável –Este Conversor Boost terá uma tensão de saída variável, mas sem qualquer circuito de detecção de erros ou circuito de feedback. Portanto, a tensão de saída deste Boost Converter será variável, mas não regulamentada.
4. Conversor Boost/Buck de circuito fechado com saída ajustável – Este conversor Boost terá uma tensão de saída variável e um circuito de feedback. Portanto, a tensão de saída deste Boost Converter será variável e regulada.

2. Buck-BoostConverter

Haverá dois tipos de conversores Buck-Boost projetados nesta série –
I. Buck de inversão de loop aberto – Conversor Boost – Em um conversor Buck-Boost inversor, a tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada. A polaridade da saída é oposta à tensão de entrada, por isso é chamado de conversor inversor Buck-Boost.
II. Buck de inversão de loop aberto – Conversor Boost com Saída Ajustável
Neste conversor Buck-Boost, a tensão de saída pode variar desde a tensão mais baixa (tensão menor que a tensão de entrada) até o nível de tensão mais alto (tensão maior que a tensão de entrada).

3. Conversor Flyback

O conversor Flyback é igual ao conversor Buck-Boost, a única diferença é que no conversor Buck-Boost ele utiliza um único enrolamento de indutor, no conversor Flyback o indutor se divide em dois enrolamentos que formam um transformador. Isso fornece o isolamento da saída da entrada. Nesta série, foi projetado um conversor Flyback que reduzirá a tensão de entrada e fornecerá baixa tensão na saída.

4. Conversor push-pull

Será projetado um conversor Open Loop Push-Pull que será um SMPS DC para DC. Este conversor usa o transformador para converter uma tensão CC para outro nível. Um transformador fornece o isolamento entre a entrada e a saída. Este conversor pode fornecer alta ou baixa tensão na saída em comparação com a entrada. O número de voltas do transformador e o ciclo de trabalho decidirão se alta ou baixa tensão será fornecida na saída.
Nesta série, será projetado um conversor Push-Pull que aumentará a tensão de entrada e fornecerá alta tensão na saída
Agora vamos entender algumas terminologias básicas que serão utilizadas na concepção do SMPS –
Com base na corrente de saída do SMPS, ele pode ter dois modos de operação –
1. Modo Contínuo
2. Modo descontínuo

1. Modo Contínuo-

Normalmente no circuito SMPS existe um indutor na entrada que decide a corrente de entrada. No modo contínuo, a corrente no indutor é contínua durante todo o ciclo do período de comutação. Assim, uma tensão regulada é obtida na saída em modo contínuo. No modo contínuo, existe algum valor crítico da corrente de saída abaixo do qual a corrente do indutor é zero durante uma parte do ciclo de comutação, então o sistema é considerado em modo descontínuo. Portanto, para a operação em modo contínuo, a saída é sempre maior ou equivalente ao valor crítico da corrente.
Abaixo está a forma de onda que mostra a corrente do indutor em modo contínuo.
Gráfico mostrando a variação da corrente no modo de condução contínua do SMPS
Fig. 3: Gráfico mostrando a variação da corrente no modo de condução contínua do SMPS

2. Modo descontínuo-

Neste modo, a corrente no indutor está pulsando e torna-se zero durante uma parte do tempo de comutação. A corrente no indutor começa em zero e atinge a corrente de pico e retorna novamente a zero após a conclusão de um ciclo de comutação. Portanto, neste modo, a tensão de saída não é regulada. Portanto, o modo descontínuo necessita de um bloco de detecção de erros que regule a tensão de saída.
Abaixo está a forma de onda que mostra a corrente do indutor em modo descontínuo –
Gráfico mostrando a variação da corrente no modo de condução descontínua do SMPS
Fig. 4: Gráfico mostrando a variação da corrente no modo de condução descontínua do SMPS
Nesta série, cada circuito será projetado nos modos CCM e DCM e haverá as equações padrão de CCM/DCM usadas para calcular os valores dos componentes.
Um SMPS tem diversas vantagens sobre os Reguladores Lineares. Algumas das principais vantagens que alavancam o SMPS sobre qualquer regulador linear são as seguintes –

Tamanho pequeno –

Qualquer SMPS possui componentes de comutação que funcionam em alta frequência. Isto reduz o tamanho dos componentes necessários no projeto do circuito do SMPS.

• Baixo custo-

Como componentes de tamanho pequeno são usados ​​para fazer o circuito SMPS, a montagem do circuito é menos dispendiosa.

• Alta eficiência de até 95%-

Devido ao uso de reguladores de comutação, a eficiência do SMPS é geralmente muito alta. Um SMPS pode ter eficiência de produção de até 95%. Isso significa que cerca de 95% da potência de entrada pode ser entregue à carga de saída.

• Isolamento entre entrada e saída-

Ao usar um transformador no lugar do indutor, o SMPS pode fornecer um bom isolamento. Ao fornecer o isolamento entre a entrada e a saída, a carga de saída pode ser salva de qualquer choque elétrico ou flutuação de tensão da fonte de entrada.
O uso do SMPS não se limita apenas aos computadores. Eles são usados ​​com a maioria dos dispositivos sensíveis que exigem essencialmente estábulo e fonte de alimentação eficiente. Eles são usados ​​como baixo fonte de corrente de perda para acionar LEDs e circuitos de LED. Eles são usados ​​em dispositivos com alimentação própria. Eles também são usados ​​como interface entre a bateria e os componentes da CPU ou notebooks onde a demanda de tensão é menor ou maior que a tensão da bateria.
Portanto, nesta série, os seguintes circuitos SMPS serão 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

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