Diseño de un convertidor reductor no aislado de circuito abierto (Parte 5/12)

Continuando con la serie SMPS, ahora es el momento de diseñar el convertidor reductor SMPS. En esta serie, se diseñan los siguientes circuitos SMPS:

1. Impulsar los convertidores –

a) Convertidor elevador de bucle abierto

b) Convertidor elevador de circuito cerrado

c) Convertidor Boost de bucle abierto con salida ajustable

d) Convertidor elevador de circuito cerrado con salida ajustable

2. Convertidores de dólares –

a) Convertidor reductor de bucle abierto

b) Convertidor reductor de circuito cerrado

c) Convertidor reductor de circuito abierto con salida ajustable

d) Convertidor reductor de circuito cerrado con salida ajustable

3. Convertidores Buck-Boost

a) Inversor reductor de bucle abierto – Convertidor elevador

b) Inversor reductor de circuito abierto: convertidor elevador con salida ajustable

4. Convertidor de retorno

5. Convertidor push-pull

El diseño de Boost Converter SMPS ya se ha comentado en tutoriales anteriores. En este tutorial, se diseñará un convertidor reductor de bucle abierto SMPS. Buck Converter es también una de las topologías SMPS (fuente de alimentación de modo conmutado). Este tipo de SMPS reduce el voltaje CC, a diferencia de los convertidores Boost, que aumentan el voltaje CC. Por lo tanto, el convertidor Buck también es un convertidor reductor de CC a CC en el que el voltaje de salida es siempre menor que el voltaje de entrada.

A diferencia de los reguladores lineales que reducen el voltaje de CC al disipar el calor, los convertidores reductores reducen el voltaje de CC a través de reguladores de conmutación y también aumentan la corriente de salida. Según la ley de conservación de la energía, la potencia de entrada debe ser igual a la potencia de salida.

Pin = puchero

Vin*Iin = Vsal*Isalida

Por lo tanto, en el convertidor Buck, como el voltaje de entrada (Vin) es mayor que el voltaje de salida (Vout), la corriente de entrada (Iin) es siempre menor que la corriente de salida (Iout). Los reguladores de conmutación brindan más eficiencia hasta un 90% si el SMPS está diseñado correctamente.

Un convertidor Buck se puede diseñar de dos maneras:

Convertidor reductor de bucle abierto: en el convertidor reductor de bucle abierto, no hay retroalimentación de la salida a la entrada, a diferencia del bucle cerrado que tiene un bucle de retroalimentación. Por lo tanto, la salida de un convertidor reductor de bucle abierto no está regulada.

Convertidor reductor de circuito cerrado: en el convertidor reductor de circuito cerrado, hay retroalimentación de la salida a la entrada. Por lo tanto, la salida de un convertidor reductor de circuito cerrado está regulada.

Hay ciertos parámetros de diseño involucrados en el diseño del convertidor reductor. Es importante comprender estos parámetros de diseño. Cualquier convertidor Buck puede funcionar en cualquiera de los dos modos de funcionamiento posibles. Estos modos de operación son los siguientes:

Modo de conducción continua (CCM): en CCM, la corriente en el inductor es continua durante todo el ciclo del período de conmutación. Por lo tanto, se obtiene un voltaje regulado en la salida, pero la salida se regula solo si la corriente se consume dentro de los límites del CCM.

Modo de conducción discontinua (DCM): en este modo, la corriente en el inductor pulsa y se vuelve cero durante una parte del tiempo de conmutación. Por lo tanto, no se recibe voltaje regulado en el DCM. Sin embargo, el voltaje se puede regular conectando un circuito de retroalimentación desde la salida a la entrada.

En este tutorial, se diseña un convertidor reductor no aislado, lo que significa que la entrada y la salida comparten la misma tierra. El convertidor Buck diseñado en este proyecto reducirá 12 V CC a 5 V CC con un límite de tolerancia de +/- 0,5 V. Una vez diseñado y ensamblado el circuito, el voltaje de salida y el valor de corriente se observarán utilizando un multímetro. Estos valores indicarán la eficiencia del convertidor Buck diseñado en el proyecto.

Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el convertidor Open Loop Buck

Fig. 2: Diagrama de bloques del convertidor reductor de circuito abierto

En este proyecto, se diseña un convertidor reductor de bucle abierto que funciona en modo CCM y se calculan los valores de los componentes según las ecuaciones CCM estándar para la salida deseada.

El convertidor reductor tiene los siguientes bloques de circuitos:

Se utiliza una batería de 12 V como fuente de alimentación de entrada en el circuito.

Para la conmutación se utilizan como componentes de conmutación un transistor y un diodo.

Los componentes de conmutación deben funcionar a una frecuencia específica. Esta frecuencia se genera a través de un circuito oscilador. En este proyecto, se utiliza Arduino UNO para generar una señal PWM que proporciona la frecuencia requerida. También se puede utilizar cualquier otra placa Arduino como Arduino Mega. De hecho, en el circuito se puede utilizar cualquier microcontrolador o placa de microcontrolador que pueda generar PWM. Se elige Arduino porque es la placa de creación de prototipos más popular y se puede programar fácilmente. Gracias al gran apoyo de la comunidad, es fácil aprender y trabajar en Arduino. La señal PWM es un tren de pulsos que se utiliza para encender y apagar el MOSFET. MOSFET se utiliza como transistor de conmutación en el circuito.

Para la conmutación se utilizan como componentes de conmutación un transistor y un diodo. Para la selección de transistores, se elige MOSFET ya que los FET son conocidos por su rápida velocidad de conmutación y bajo RDS (ON) (resistencia de drenaje a fuente en estado ON). En esta configuración, el MOSFET está conectado en la configuración del lado alto. Al igual que en el lado alto, el MOSFET de canal N requiere un circuito Bootstrap o un controlador de puerta IC para su control, lo que hace que el controlador sea más complicado. En el circuito se utiliza un MOSFET de canal P (que se muestra como Q1 en el diagrama del circuito) ya que no requiere un controlador de puerta en su lado alto pero tiene Rds (encendido) altos en comparación con N-MOS. Esto resulta en una mayor pérdida de energía. El MOSFET utilizado en el circuito tiene un voltaje límite de entre 10 V y 12 V.

El tiempo de conmutación del MOSFET y el diodo debe ser menor que el tiempo de subida y bajada de la onda PWM. El diodo debe ofrecer una baja caída de voltaje en polarización directa y el RDS (ON) del MOSFET debe ser bajo. Siempre se debe utilizar una resistencia de puerta a fuente para evitar cualquier activación no deseada del MOSFET por ruido externo. También ayuda a apagar rápidamente el MOSFET descargando su capacitancia parásita. Se puede utilizar un valor de resistencia bajo (10E a 500E) en la puerta del MOSFET. Esto resolverá el timbre (oscilaciones parásitas) y el problema de la corriente de irrupción en el MOSFET. El nivel de voltaje de la señal PWM debe ser mayor que el voltaje umbral del MOSFET. Para que el MOSFET se pueda encender completamente con un mínimo de RDS (ON).

El MOSFET no puede ser controlado por el microcontrolador ya que el microcontrolador solo puede emitir una señal PWM de 5 V. Por lo tanto, se utiliza un IC IR2110 adicional en el circuito para generar una señal PWM de 12 V y el microcontrolador proporciona la entrada al IR2110. IR2110 es un controlador de lado alto y bajo. Es un controlador MOSFET e IGBT de potencia de alta velocidad (que funciona a alta frecuencia) con canales de salida independientes referenciados en los lados alto y bajo. Los canales flotantes pueden funcionar hasta 500 V o 600 V. El IC es compatible con lógica de 3,3 V, por lo que se puede utilizar con cualquier microcontrolador. El IC viene en un paquete PDIP de 14 derivaciones. IR2110 tiene la siguiente configuración de pines:

Fig. 3: Tabla que enumera la configuración de pines del IC IR2110

Otro componente de conmutación utilizado en el circuito es un diodo. El tiempo de conmutación del diodo debe ser menor que el tiempo de subida y bajada de la onda PWM. La placa Arduino genera una onda PWM con un tiempo de subida de 110 ns y un tiempo de caída de 90 ns. La caída de tensión directa del diodo también debe ser muy baja; de lo contrario, disipará energía, lo que reducirá aún más la eficiencia del circuito. El diodo debe ofrecer una baja caída de voltaje en polarización directa y el RDS (ON) del MOSFET debe ser bajo. Por lo tanto, en este experimento, se selecciona el diodo BY399 que mejor se adapta al diseño del circuito.

Antes de generar la señal PWM, es necesario decidir la frecuencia de conmutación del circuito. Para este convertidor reductor, se selecciona una frecuencia de conmutación de 20 kHz, que funcionará bien para este diseño de convertidor.

El ciclo de trabajo de la señal PWM generada es otra consideración importante ya que decidirá el estado activo del MOSFET. El ciclo de trabajo se puede calcular de la siguiente manera:

Ciclo de trabajo, D% = (Vsalida/Vin)*100

Voltaje de salida deseado, Vout = 5V

Voltaje de entrada, Vin = 12V

Poniendo todos los valores,

D% = 40% (aprox.)

Para generar una señal PWM de 20 kHz con un ciclo de trabajo del 40%, se programa la placa Arduino. El boceto de Arduino necesario para generar la salida PWM deseada se adjunta en el tutorial. Se puede descargar y escribir en una placa Arduino para su uso.

Cuanto mayor sea la frecuencia seleccionada para los componentes de conmutación, mayores serán las pérdidas de conmutación. Esto disminuye la eficiencia del SMPS. Pero la alta frecuencia de conmutación reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria de la salida.

Se utiliza un inductor para almacenar energía eléctrica en forma de campo magnético. Por tanto, el inductor actúa como elemento de almacenamiento de energía. En el circuito se utiliza un inductor de valor 9,5 mH. Para un inductor, se puede utilizar una bobina secundaria o primaria de un transformador, una bobina de relé o cualquier inductor estándar que tenga el valor de inductancia deseado. El valor del inductor se puede calcular mediante la ecuación CCM estándar de la siguiente manera:

Lmin>=(Vsalida *(1-Vsalida/Vin))/(Fs*2*Io(crítico))

Dónde,

Lmin = valor mínimo del inductor

Voltaje de salida deseado, Vout = 5V

Voltaje de entrada, Vin = 12V

Frecuencia de conmutación, Fs = 20 kHz

Io(crítica) = Corriente mínima para mantener el CCM, normalmente conocida como corriente crítica

Como el valor del inductor depende de la corriente crítica, el primer valor de Io (crítico) debe calcularse de la siguiente manera:

Io(crítico) = ((Vin – Vout)*Ton)/(2*L)

De las ecuaciones anteriores se puede analizar que 'L' e 'Io' (crítico) son dependientes entre sí, por lo que se debe asumir cualquiera de los dos valores. En este experimento, se supone que el valor crítico de la corriente de salida es de 10 mA. Ahora el valor del inductor se puede calcular de la siguiente manera:

Lmín >= (5*(1-(5/12)))/(20*103*2*0,01)

Lmín >= 7,5 mH

Este es el valor mínimo del inductor, por lo tanto, en el circuito se utiliza un inductor de 9,5 mH. La corriente nominal del inductor debe ser mayor que la corriente de rizado del inductor para que se pueda obtener la corriente de salida deseada.

Como elemento filtrante, se utiliza un condensador (que se muestra como C1 en el diagrama del circuito) en la salida del circuito. En el funcionamiento normal del circuito convertidor Buck, el transistor Q1 se enciende y apaga según la frecuencia del circuito oscilador. Esto genera un tren de impulsos en el inductor L1 y el condensador C1, así como en el transistor Q1. Como el condensador está conectado al inductor en el ciclo negativo y positivo de la señal PWM. Esto crea un filtro LC que filtra el tren de pulsos para producir una salida de CC suave. El valor del condensador se puede calcular utilizando la siguiente ecuación CCM:

Cmín >= DIL/(8*Fs*DVo)

Dónde,

Cmin = valor mínimo del condensador

DIL=Corriente de ondulación del inductor

DVo = Voltaje de ondulación de salida

Suponiendo DVo = 10mV

Ahora, para calcular DIL,

DIL= 2*Io(crítico)

DIL = 2*10*10-3

DIL = 20mA

Al colocar el importe total,

Cmín >= (20*10-3)/(8*20*103*10*10-3)

Cmín >= 13uF

Como es el valor mínimo de capacitor requerido, en el circuito se usa un capacitor de valor estándar que puede estar fácilmente disponible, por lo tanto, se usa un capacitor de 100uF.

El valor del condensador debe ser mayor o equivalente al valor calculado. Para que sea capaz de proporcionar la corriente y el voltaje deseados en la salida. El condensador utilizado en el circuito debe tener un voltaje nominal más alto que el voltaje de salida. De lo contrario, el condensador comenzará a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotará. Es importante que todos los condensadores estén descargados antes de trabajar en una aplicación de fuente de alimentación de CC. Para ello, se deben cortocircuitar los condensadores con un destornillador y guantes aislantes.

Cualquier SMPS tiene algunos componentes de conmutación que se encienden y apagan a alta frecuencia y tiene algún componente de almacenamiento que almacena la energía eléctrica mientras los componentes de conmutación están en estado conductor y descarga la energía almacenada al dispositivo de salida mientras los componentes de conmutación están en estado no. . -estado de conducción.

Un convertidor reductor simple consta de un inductor (L1), un diodo (D1), un condensador (C1) y un transistor que actúa como interruptor. Inicialmente, cuando el interruptor está abierto, la corriente en el circuito es cero. Cuando el interruptor se cierra por primera vez, el inductor se opone al cambio de corriente y produce un voltaje opuesto en su terminal. Esto hace que el diodo tenga polarización inversa. La caída de voltaje a través del inductor neutraliza el voltaje de la fuente, lo que resulta en menos voltaje en la salida. A medida que pasa el tiempo, la tasa de cambio de la corriente disminuye y la caída de voltaje a través del inductor también disminuye. En este estado, el inductor comienza a almacenar energía en forma de campo magnético. El condensador de salida se carga durante todo el estado ON. La carga almacenada en el capacitor proporciona la corriente requerida para la carga en el estado APAGADO.

Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra el estado ON del componente de conmutación en el convertidor Buck

Cuando se abre el interruptor, la fuente de entrada se desconecta del circuito y la corriente comienza a disminuir y se vuelve cero. Dado que el inductor almacenó energía en el ciclo anterior, ahora actúa como fuente de energía. Por tanto, el inductor crea una polaridad a través de él. Esto es opuesto en polaridad como en el estado ON. Esto hace que el diodo esté polarizado directamente y el inductor ahora suministra la corriente a la carga a través del diodo D1. Cuando la carga almacenada en el inductor comienza a disminuir, el voltaje de salida comienza a caer. Ahora el condensador actúa como fuente de corriente y continúa suministrando corriente a la carga hasta el siguiente ciclo, es decir, el estado ON. El efecto general es que en la salida se obtiene un voltaje CC pequeño con una corriente de salida alta en comparación con la entrada.

Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el estado APAGADO del componente de conmutación en el convertidor Buck

En el estado ON, el Diodo estaba en Modo de Bloqueo (OFF) y el Transistor estaba ON. En el estado APAGADO, el Diodo estaba en modo de conducción (ENCENDIDO) y el Transistor estaba APAGADO. Por lo tanto, un convertidor reductor tiene dos interruptores, uno es un transistor y el otro es el diodo. A la vez, sólo uno de ellos conduce, mientras que el otro pasa al estado de no conducción.

Este convertidor reductor está diseñado para reducir 12 V CC a 5 V CC.

Fig. 6: Prototipo de convertidor Open Loop Buck diseñado en una placa de pruebas

En este circuito, voltaje de entrada, Vin = 12V

Prácticamente, voltaje de la batería, Vin = 11,94 V

Al medir valores de voltaje y corriente con diferentes cargas en la salida, se realizaron las siguientes observaciones:

Fig. 7: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida del convertidor reductor de bucle abierto para diferentes cargas

Por lo tanto, se puede ver que se puede extraer una corriente de 46 mA en la salida de 5 V con un límite de tolerancia de +/- 0,5 V.

La eficiencia energética del circuito con una corriente de salida máxima de 46 mA se puede calcular de la siguiente manera:

% de eficiencia = (Pout/Pin)*100

(Potencia de salida) Pout = Vout*Iout

(Voltaje de salida) Vsal = 4,62 V

(Corriente de salida) Isal = 46mA

Potencia = 212 mW (aprox.)

(Potencia de entrada) Pin = Vin*Iin

(Voltaje de entrada) Vin = 12V

(Corriente de entrada) Iin = 20 mA (mida la corriente de entrada usando un amperímetro)

Clavija = 264 mW

Poniendo todos los valores,

% de eficiencia = (212/264)*100

Eficiencia% = 80%

Fig. 8: Prototipo de convertidor Open Loop Buck diseñado en una placa de pruebas

Se puede observar que existen ciertas limitaciones de este circuito. El voltaje de salida en este circuito no está regulado, varía para diferentes resistencias de carga. Esto se puede mejorar agregando un circuito de retroalimentación que ayude a regular el voltaje de salida. En el siguiente tutorial se diseña un convertidor Buck con circuito de retroalimentación. En segundo lugar, la eficiencia de este diseño de convertidor reductor es del 80% debido a las pérdidas de potencia en el circuito. Hay pérdidas por conmutación y conducción del diodo y MOSFET, pérdidas en los devanados que rodean el núcleo, pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas por histéresis en el inductor, pérdidas en el capacitor debido a ESR (resistencia en serie equivalente), pérdidas debido a Rds(on) altos de P -MOS.

Este es un convertidor reductor de bucle abierto con salida no aislada y que funciona en modo CCM. Se puede utilizar como fuente de corriente de baja pérdida para controlar LED o alimentar dispositivos portátiles autoalimentados. También se puede utilizar como interfaz entre la batería y los componentes de la CPU o portátiles donde la demanda de voltaje es menor que el voltaje de la batería.

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 //Programa para

 Código para convertidor reductor con voltaje de entrada = 12 V y voltaje de salida = 5 V

 Este código generará una señal PWM (modulación de ancho de pulso) de 20 kHz con un ciclo de trabajo del 60 %.

 pero el ciclo de trabajo deseado es del 40%.

 Como en nuestro experimento utilizamos un MOSFET de canal P, el PMOS se activa mediante un voltaje negativo.

 Entonces necesitamos establecer el ciclo de trabajo de la señal PWM en 60% para que el ciclo de trabajo del MOSFET pueda ser del 40%.


 */


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

 #define CMP_VALUE_HALF_DUTY 480 // Valor OCR1A para un ciclo de trabajo del 60%
 
#define PWM 9 // Onda PWM (modulación de ancho de pulso) en el pin 9


 configuración nula {

 // pon tu código de configuración aquí, para ejecutarlo una vez:

 pinMode(PWM,SALIDA); // establece 9 pines como salida

 TCCR1A = 0; //restablecer el registro

 TCCR1B = 0; //restablecer el registro

 TCNT1 = 0; //restablecer el registro

 TCCR1A = (1< 
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Diagrama-de-circuito-convertidor-reductor-de-bucle-abierto