Seleção de componentes para sistemas embarcados de baixo consumo

24 de junho de 2024 Roberto Magalhães

A seleção de componentes é um dos processos mais essenciais e críticos ao projetar qualquer sistema eletrônico. A seleção inadequada de componentes pode levar a muitos problemas no projeto, layout da PCB, orçamento de energia, etc. Neste artigo, discutiremos como selecionar um componente para um projeto otimizado para baixo consumo de energia.

Resistor

A potência dissipada por um resistor está na forma de calor. Quando a corrente flui através dele, o resistor é aquecido. As principais propriedades de seleção de um resistor são resistência, potência nominal, composição, coeficiente de temperatura, temperatura operacional, resistência térmica, etc. Para nossos propósitos aqui, discutiremos as propriedades que causam a dissipação de potência nos resistores.

Figura 1: Resistor

Classificação de potência: A classificação de potência é a potência máxima que pode ser dissipada do resistor sem destruir o dispositivo. A taxa de conversão é a potência de dissipação. Por exemplo, se um resistor tem uma potência nominal de ¼ Watts, então ¼ Watts é a quantidade máxima de potência que deve ser alimentada no resistor.

Vejamos outro exemplo. Aqui, temos um resistor de 800Ω com tensão de 12 volts alimentando o circuito para acender um LED. A potência que o circuito estaria fornecendo é:
P=V²/R

Onde V é a tensão no resistor e R é sua resistência.
P = 12*12/800 = 0,18W

Portanto, devemos sempre garantir que a potência nominal do resistor atenda aos requisitos do circuito.

Resistência Térmica (Rθ): O fator de proporcionalidade entre a dissipação de energia e o excesso de temperatura e geralmente é expresso como
Rθ = dT/P

onde Rθ é a resistência térmica, dT é a mudança de temperatura e P é a potência dissipada. Um valor menor de Rθ indica que a energia térmica será transferida mais livremente e oferecerá melhor desempenho energético. Portanto, o valor de Rθ deve ser baixo ao selecionar um resistor.

Composição: Existem diferentes composições dos resistores, mas chumbo (4,55×10⁶ S/m) tem menor condutividade térmica que o cobre (5,96×10⁷ S/m) e não dissipa calor como o cobre. Portanto, devemos escolher o resistor com a composição de fio condutor. Os resistores de chumbo são mais caros que os resistores de cobre, o que limita seu uso.

Outras maneiras de minimizar a dissipação de energia no contexto de um resistor são as seguintes:

Ao projetar uma PCB, traços pesados de cobre ou planos de aterramento (que atuam como dissipadores de calor) reduzem o aumento de temperatura dos fios e das juntas de solda. Portanto, devemos fornecer bons planos de aterramento e traços pesados de cobre para minimizar a dissipação de calor.

Vejamos um exemplo de divisor de tensão que fornece uma saída de 9V a partir de 12V:

Fig: 2 Circuito Divisor de Tensão

A equação para encontrar a tensão de saída de um circuito divisor:
Vout = (R2/R1 + R2) *Vin

Onde Vout é a tensão de saída, Vin é a tensão de entrada e R1 e R2 são a resistência dos resistores R1 e R2.
Vin = 12V, R1= 1K, R2= 3K
Vout = (3K /( 1K + 3K)) * 12V
Saída = 9V

Agora a corrente através do circuito será:
Eu = Vin / (R1+ R2)
I = 12 /( 1K + 3K) = 3mA
P = IV = 3mA*12V=36mW

Se tomarmos os valores de R1= 10K e R2= 30K então:
Vout = (30K / (10K + 30K))* 12V = 9V
I = 12 / (10K + 30K) = 0,3mA
P = IV = 0,3mA*12V=3,6mW

Ao aumentar o valor do resistor em circuitos divisores de tensão, os circuitos de acionamento de LED podem reduzir o consumo de energia.

Capacitor

Figura: 3 Capacitor

A potência dissipada por um capacitor resulta de sua ESR, corrente de fuga, etc. As principais propriedades de um capacitor são capacitância, ESR, tolerância, tensão nominal, coeficiente de temperatura, temperatura operacional e corrente de fuga. Vários parâmetros são importantes para ter em mente ao selecionar um capacitor.

ESR (Resistência Equivalente em Série): A ESR (também conhecida como resistência interna do capacitor) do capacitor é responsável pela energia dissipada na forma de calor e é diretamente proporcional ao DF (Fator de Dissipação).

Fig: 4 Modelo ESR

ESR = XC * DF
XC = 1/ (2 * PI * f * C)

onde XC é a reatância capacitiva, DF é o fator de dissipação, C é a capacitância e f é a frequência.

A ESR depende da frequência, o que a torna uma quantidade “DINÂMICA”. A ESR é causada por muitos fatores, como perdas ôhmicas nos cabos e nas próprias placas, bem como perdas no material dielétrico usado entre as placas do capacitor.

Um valor ESR alto degrada o desempenho, pois o capacitor terá menos capacidade de passar corrente de e para suas placas para o circuito externo devido à constante de tempo RC de carga e descarga mais longa. A ESR de um capacitor precisa ser a mais baixa possível para todos os projetos de circuitos eletrônicos, para que a operação do capacitor seja o mais próxima possível do ideal.

Corrente de fuga do capacitor: O dielétrico usado dentro do capacitor para separar as placas condutoras não é um isolante perfeito. Quando a tensão de alimentação constante é aplicada a um capacitor, os poderosos campos elétricos gerados pela carga nas placas resultam em um vazamento mínimo de corrente através do dielétrico. A quantidade de corrente de fuga varia de acordo com o tamanho do capacitor. Normalmente, as tampas eletrolíticas e de tântalo têm alta corrente de fuga, e os capacitores cerâmicos e de filme têm baixa corrente de fuga.

Fig: 5 Modelo de Vazamento

Ao selecionar capacitores para um sistema embarcado de baixa potência, é melhor escolher capacitores com baixa corrente de fuga.

Tensão Nominal: A tensão nominal é outra característica importante que define a tensão contínua máxima, seja CC ou CA, que pode ser aplicada ao capacitor sem falha durante sua vida útil. Qualquer tensão acima da sua tensão de trabalho pode causar falha, que é determinada pela taxa de falha. Um capacitor terá uma vida útil mais longa se for operado em um ambiente frio e dentro de sua tensão nominal. Sempre use um capacitor com tensão nominal igual ou superior à tensão aplicada ao circuito.

Indutor

Figura: 6 Indutor

A dissipação de energia em um indutor ocorre nos enrolamentos e no núcleo, denominada perda nos enrolamentos e perda no núcleo. As propriedades significativas de um indutor são núcleo do material, indutância, tolerância, classificação de corrente, blindagem, resistência DC, Q, frequência auto-ressonante, temperatura operacional e frequência de indutância. A seguir estão parâmetros importantes que você deve ter em mente ao selecionar um indutor.

Fator Q, ou Fator de Qualidade: Refere-se à relação entre a reatância da bobina e sua resistência. Este valor depende da frequência (Q=2πf L/R). Como f é a frequência da corrente que flui através da bobina, o valor de Q será diferente de acordo com a frequência. O valor Q mais alto causará perdas menores e melhor adequação para uso como indutor de alta frequência.
Frequência auto-ressonante (SRF): Descreve a frequência na qual um indutor para de funcionar como indutor. A frequência auto-ressonante pode ser expressa como:

SRF = 1/2 * PI * √LC

onde L é a indutância e C é a capacitância parasita.

Este valor deve ser superior à frequência da aplicação. Seria melhor considerar que a frequência auto-ressonante deve ser suficientemente superior à frequência de utilização.

Corrente de saturação: Refere-se à corrente CC, que faz com que a indutância caia em um valor especificado. Além disso, quando um indutor não consegue mais armazenar energia e, em vez disso, apresenta uma queda no armazenamento de energia e na indutância, ele atingiu o ponto de saturação. A indutância cai porque o núcleo só pode armazenar uma certa quantidade de densidade de fluxo magnético. O material do núcleo e o isolamento do fio podem ser danificados em altas temperaturas se a corrente for alta o suficiente durante a operação. Na maioria dos casos, a operação de um indutor é limitada pelo aumento de temperatura.
Resistência DC (DCR): Durante o fluxo da alimentação DC (frequência 0 Hertz), os indutores fornecem resistência ao fluxo de corrente. Essa resistência é chamada de resistência DC (DCR). O DCR dissipa o calor e reduz a eficiência como qualquer outro resistor. Em indutores reais, o fator Q é confiável no DCR. O baixo valor de DCR é essencial para menor dissipação de energia. É melhor usar o indutor em determinadas condições de temperatura ambiente para operá-los na região de valor DCR mínimo.
Núcleo do material: O núcleo deve ser grande o suficiente e com permeabilidade baixa o suficiente para evitar a saturação (ou mudança na indutância abaixo do nível mínimo exigido). Esta fórmula básica define a perda de potência de um indutor:

Ploss = Pcore (Perda de núcleo) + Pdcr (Perda de fio por resistência CC) + Pacr (Perda de fio por resistência CA).

Aqui falaremos sobre a perda central.

Fig: 7 Curva de Histerese

A histerese é uma propriedade comum das substâncias ferromagnéticas. O efeito pelo qual a magnetização dos materiais ferromagnéticos fica atrás do campo magnético é descrito como efeito de histerese. A área do loop de histerese acima na figura representa a perda de energia. A perda de potência depende do número de vezes por segundo que o circuito de histerese é percorrido. Assim, a perda por histerese varia diretamente com a frequência. A maioria dos indutores de fonte de alimentação comerciais são ferritas com lacunas (Figura 7), que normalmente não são materiais de baixa perda e geralmente não apresentam bom desempenho em aplicações de baixa potência e alta frequência. Ao projetar indutores para baixas perdas, use materiais de baixa permeabilidade para diminuir o campo B (campo magnético B é um campo produzido por cargas elétricas em movimento), escolha materiais de núcleo de baixa perda e considere o uso de fio Litz (fio multifilar).

Fig: Fio 8 Litz

MOSFET

Figura: 9 Mosfet

A dissipação de potência em um MOSFET é dividida principalmente em duas formas: dissipação de potência resistiva e dissipação de potência de comutação. A resistência interna do MOSFET causa perda resistiva, e a perda de comutação é a perda de potência durante a ativação e desativação dos MOSFETs. Abaixo estão alguns dos parâmetros importantes que você deve ter em mente ao selecionar um MOSFET:

Dreno máximo para tensão de fonte (VDS): A classificação VDS de tensão de dreno-fonte é importante na seleção de MOSFETs. Escolha MOSFETs com VDS (tensão de fonte de drenagem) suficientemente superior à tensão na qual serão usados, pois uma tensão superior a VDS pode destruir um MOSFET. Mas com um valor alto de VDS, o RDS (resistência no estado) resulta em perda de condução. Ambos os parâmetros devem ser observados ao selecionar o MOSFET.
Drain Source On Resistance RDS (ON): RDS é o valor de resistência entre o dreno e a fonte de um MOSFET durante a operação (ON). O RDS dos MOSFETs é baixo quando operam na região linear. Para aplicações de comutação, podemos reduzir a resistência no estado ligado usando MOSFETs na região de baixo VDS, reduzindo assim a perda de potência. A quantidade de corrente que os MOSFETs podem suportar é limitada pelo valor de VGS. Além disso, quanto maior a temperatura, maior se torna o valor RDS(ON), por isso é importante considerar também a temperatura.
Corrente máxima de drenagem CC: Esta é a corrente máxima que um dispositivo pode suportar indefinidamente com resfriamento adequado. Dependendo do VDS, o dispositivo poderá conduzir apenas uma pequena fração desta corrente antes da falha. A única maneira de ter certeza de que o dispositivo pode suportar a corrente desejada é consultar a curva da área operacional segura na folha de dados do dispositivo.
Considerações para VGS: Os MOSFETs são ativados quando a VGS (tensão porta-fonte) excede sua tensão limite Vth. Escolha um valor para VGS que seja maior que Vth. Quanto maior o VGS, menor o valor RDS(ON). Selecionar a tensão ideal da porta é, portanto, crítico.
Velocidade de comutação: As perdas de comutação estão presentes em uma frequência mais alta. Para reduzir essas perdas em MOSFETs de potência de alta frequência e alta velocidade, devem ser usados. Comparados aos transistores bipolares de porta isolada (IGBT) e tiristores, os MOSFETs de potência têm velocidades de comutação muito altas e melhor eficiência em baixas tensões.

Conversores CC/CC

Diferentes tipos de conversores DC/DC incluem buck, boost e flyback. Os conversores Buck são usados para reduzir as tensões, enquanto os conversores boost são usados para aumentar as tensões. O conversor flyback é um conversor buck-boost que pode aumentar ou diminuir a tensão. Muitos fatores devem ser considerados para projetar conversores CC/CC, como eficiência de energia, resposta transitória, relação de tensão de entrada-saída, eficiência, isolamento de entrada-saída, faixa de tensão de entrada, corrente máxima de saída, regulação de linha/carga CC e outros fatores. . Abaixo estão alguns dos parâmetros que você deve ter em mente ao selecionar um conversor

Parâmetro da faixa de tensão de entrada (VIN): A faixa de tensão de entrada é a alimentação de entrada máxima e mínima permitida do conversor. Se a alimentação de entrada exceder a entrada máxima permitida, o conversor poderá ser danificado.
Parâmetro Corrente de Saída Máxima (IOUT): Este parâmetro é a corrente de saída máxima que o conversor pode fornecer enquanto atende aos outros parâmetros.
Parâmetro Corrente Quiescente (IQ): Corrente quiescente é a corrente usada para operar o conversor e não é entregue à carga. É medido quando o conversor está habilitado e a corrente de saída/carga é zero. Uma baixa corrente quiescente maximiza a eficiência de saída do conversor, reduz o calor e prolonga a vida útil da bateria em aplicações operadas por bateria. Escolha corrente IQ baixa ao selecionar um conversor DC/DC.
Parâmetro de eficiência: A eficiência energética é definida como a porcentagem da potência de entrada entregue à saída. É expresso como:

Eficiência = 100 * (Iout * Vout) / (Iin * Vin)

Um conversor de comutação ideal pode atingir 100% de eficiência. A perda em conversores inclui perda de comutação e perda de indutor. A dissipação de energia deve ser minimizada para maximizar a eficiência.

Frequência de comutação: Os circuitos conversores DC/DC têm suas frequências de comutação exclusivas. Uma frequência de chaveamento mais alta possibilita o uso de indutores e capacitores menores e melhora o comportamento de carga escalonada do conversor. Uma frequência de comutação mais alta também aumenta as perdas de comutação, ampliando a faixa de frequência de radiação EMI.