Projetando um conversor Buck não isolado de circuito fechado (Parte 6/12)

No tutorial anterior, o conversor buck de circuito aberto foi projetado. 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 conversor buck de malha aberta projetado no tutorial anterior não tinha saída regulada. A tensão de saída variava com a resistência da carga. A saída do circuito projetado no tutorial anterior poderia ser regulada adicionando um circuito de feedback a ele. O circuito de feedback pode ajudar na detecção de erros da tensão de saída e alterar o ciclo de trabalho da frequência na qual o circuito opera para fornecer uma tensão de saída constante, independentemente da resistência da carga.

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.

Neste projeto, um conversor buck de malha fechada operando no modo DCM é projetado e os valores dos componentes de acordo com as equações padrão do DCM são calculados para a saída desejada.

O conversor buck possui os seguintes blocos de circuito –

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

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 por 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 ON). 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 –

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 em avançar polarização e o RDS (ON) do MOSFET devem ser baixos. 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.

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 500 uH 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. 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.

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 DCM –

Cmin >= (Iout(máx)*(1-(Iout(máx)/DIL))2)/Fs*DVo

Onde,

Cmin = Valor mínimo do capacitor

Limite máximo de corrente de saída para tensão de saída regulada, Iout (máx.) = 100mA

Frequência de comutação, Fs = 20kHz

Considerando a tensão de ondulação de saída, DVo = 100mV

DIL=Corrente de ondulação do indutor/Corrente de pico do indutor

Agora, para calcular o termo desconhecido DIL, a seguinte equação padrão do DCM pode ser usada –

DIL = ((Vin – Vout)*Ton)/(L)

Como o valor do capacitor é inversamente proporcional à tensão de saída, portanto, o valor do capacitor para a tensão mínima de saída, ou seja, 5V, deve ser calculado. Então,

Tensão de saída desejada, Vout = 5V

Tensão de entrada, Vin = 12V

Ton = O tempo ativo ou ON do MOSFET é dado por

D = Toneladas/Ts

Tonelada = D*Ts

Onde,

Tempo de comutação, Ts = 50us ……..(já que Ts = 1/fs)

Ciclo de trabalho, D= 0,4

Tonelada = (0,4*50*10-6)

Tonelada = 20us

Agora, colocando todos os valores,

DIL = ((12 – 5)*20*10-6)/(500*10-6)

DIL = 280mA

Agora, ao colocar todos os valores na equação de capacitância,

Cmin >= (0,1*(1-(0,1/0,28))2)/(20*103*0,1)

Cmin >= 20uF (aprox.)

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 47uF.

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.

No tutorial anterior, foi visto que sem nenhum circuito de realimentação era recebida uma alta tensão na saída quando não havia carga conectada. Quando qualquer carga na saída foi conectada, a tensão de saída caiu abaixo da tensão de saída desejada. portanto, houve necessidade de regular a tensão de saída conectando um circuito de feedback.

Portanto, neste circuito, é fornecido um feedback do terminal de saída para o terminal de entrada que regula a tensão de saída mesmo quando não há carga presente na saída. O circuito de Feedback deve calcular o erro na tensão e então o microcontrolador ajustar automaticamente a tensão de saída de acordo com a tensão desejada. Este ajuste da tensão de erro é gerenciado pelo esboço do Arduino em execução na placa.

Para fornecer feedback, uma escada de resistores é usada na saída (conforme mostrado no diagrama do circuito). Para calcular o valor da rede de resistores, a tensão máxima de saída do circuito em malha aberta deve ser conhecida quando nenhuma carga estiver conectada à saída. Essa será a tensão de saída desejada que deve alimentar da rede divisora ​​de resistores para o pino analógico do controlador (conforme mostrado no diagrama do circuito). A tensão de saída deve ser igual a 5,2 V, pois o microcontrolador fornece 5,2 V como tensão de referência. O valor da rede de resistores pode ser calculado como segue

De acordo com a regra do divisor de resistor,

Vr = Vo*(R4/R3+R4)

Tensão desejada para o pino analógico, Vr = 5,2V

Assumindo a tensão máxima de saída do conversor Buck de malha aberta sem carga, Vo = 12V

Vamos supor que R4 = 1K agora R3 é

5,2= 12*(1000/R3+1000)

R3 = 1,5K (aprox.)

Então R3 = 1,5K e R4 = 1K

Agora a potência nominal da resistência R3 e R4 pode ser calculado da seguinte forma –

(Para R3), P3 = (Vo-Vr)2/(R3)

Colocando todos os valores,

P3 = 30mW (aprox.)

(Para R4), P4 = (Vr)2/(R4)

Colocando todos os valores,

P4= 27mW (aprox.)

Devem ser utilizados resistores com potência nominal maior ou igual à potência nominal calculada.

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 em estado de condução e descarregam a energia armazenada para o dispositivo de saída enquanto os componentes de comutação estão em não condução. estado.

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.

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.

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.

É assim que qualquer conversor Buck funciona. O conversor Buck projetado neste projeto é fechado, ou seja, um circuito de realimentação é adicionado a ele. O feedback é fornecido através de uma rede divisora ​​de tensão. A tensão de saída é detectada pela escada do resistor divisor de tensão e fornecida a um dos pinos do microcontrolador. A placa microcontroladora utilizada no projeto é o Arduino. O canal ADC integrado do Arduino converte a tensão detectada em uma leitura digitalizada. O Arduino está programado para comparar a tensão de saída com uma tensão de referência e a diferença entre as duas é a tensão de erro. Para compensar o erro de tensão, o Arduino é programado para alterar o ciclo de trabalho do sinal PWM que controla o circuito do transistor. Ao alterar o ciclo de trabalho do sinal PWM, a tensão de saída é modificada para a saída desejada.

Este conversor Buck foi projetado para reduzir 12V DC para 5V DC.

Neste circuito, Tensão de Entrada, Vin = 12V

Praticamente, Tensão da Bateria, Vin = 11,8V

Ao medir valores de tensão e corrente com diferentes cargas na saída, foram feitas as seguintes observações –

Assim, pode-se observar que uma corrente de 96 mA pode ser consumida na saída de 5V com limite de tolerância de +/-0,5V.

A eficiência energética do circuito com corrente de saída máxima de 96mA pode ser calculada da seguinte forma –

Eficiência% = (Pout/Pin)*100

(Potência de saída) Pout = Vout*Iout

(Tensão de saída), Vo = 4,86V

(Corrente de saída), Iout = 96mA

Beicinho = 4,86*0,096

Pout = 467mW (aprox.)

(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin

(Tensão de entrada) Vin = 11,8V

(Corrente de entrada) Iin = 52,5mA

Pino = 11,8 *0,525

Pino = 619mW (aprox.)

Colocando todos os valores,

Eficiência% = (467/619)*100

Eficiência% = 75% (aprox.)

A eficiência deste projeto é menor porque as perdas de potência no circuito não são consideradas. 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) e perdas devido a altos Rds(on) de P-MOS.

Este é um conversor buck de malha fechada com saída não isolada e operando no modo DCM. 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.

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//Program to 


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

 This code will generate a PWM (Pulse Width Modulation)signal of 20kHz with 50% duty cycle

 and adjust the duty cycle as per the desired output voltage

 */


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

#define CMP_VALUE_HALF_DUTY  399      // 50% duty cycle

#define FeedbackPin  A5               // feedback pin at A5

#define R1plusR2_resistor 2.5        // variable of R1+R2 value

#define R1_resistor 1.0              // variable of R1 value

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

float Map_ADC ;                     // function declaration  


float Map_ADC  {                                   
// function definition                          

  int Digital_Read = analogRead(FeedbackPin);     
// reading analog voltage form 0 to 5.2V and converting it to digital values in between 0 to 1023

  float ADC_READ = (Digital_Read/1024.0)*5.2;           
// mapping the digital value into analog voltage of 0 to 5.2V

  float mapping_result = (ADC_READ*(R1plusR2_resistor/R1_resistor));     
// calculating the actual output voltage 

  return(mapping_result);                                              
// return the calculated output voltage

}


void setup  {

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

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

  pinMode(FeedbackPin,INPUT);                 // set A5 pin as input

            

  TCCR1A = 0;                                 //reset the register

  TCCR1B = 0;                                 //reset the register

  TCNT1 = 0;                                   //reset the register

  TCCR1A  = (1< 5) {                 
//comparing actual output voltage with desired output voltage to find error in voltage      

    OCR1A ++;                                 
// if error is positive the duty cycle is increased but it is decreased for P-MOSFET  as it is triggered by low voltage

  }

  else if(actual_output_voltage < 5) {        
//comparing actual output voltage with desired output voltage to find error in voltage      

  OCR1A --;                                  
// if error is negative the duty cycle is increased for a regulated voltage of 5V

  }

}
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Circuito-Diagrama-Closed-Loop-Buck-Converter