Projetando um Conversor Boost de Loop Aberto SMPS (Parte 1/12)

Componentes necessários –

Neste experimento, um conversor boost 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 boost 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. 2. Oscilador e mecanismo de comutação – Um oscilador é usado para gerar um sinal modulado por largura de pulso (PWM) de uma frequência desejada. Neste conversor boost, 555 IC é usado para gerar o sinal PWM, portanto, 555 IC atua como um oscilador. 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. O 555 está configurado em modo Astável com algumas modificações no circuito básico. Para aprender como o 555 IC gera sinal PWM, leia o tutorial 'Gerando Onda Quadrada'.

Deve-se tomar cuidado para que a tensão de entrada de 555 não ultrapasse o limite especificado mencionado em sua ficha técnica. Um capacitor puxado para baixo deve sempre ser usado no pino de controle do 555 IC para evitar ruídos indesejados do ambiente.

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). Portanto, um MOSFET 30NF10 de canal N (mostrado como Q1 no diagrama de circuito) é conectado paralelamente à fonte CC de entrada que atua como uma chave no circuito. 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 de encaminhamento e o RDS (ON) do MOSFET deve ser baixo.

Uma resistência porta-fonte deve ser usada para evitar qualquer disparo 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) deve ser conectado à porta do MOSFET. Isso resolverá o problema de toque (oscilações parasitas) e corrente de pico 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).

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. O IC 555 utilizado gera uma onda PWM com tempo de subida de 110ns e tempo de descida 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. 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 boost, uma frequência de comutação de 10kHz é selecionada, o que funcionará bem neste 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 –

D% = 1- (Vin/Vo)*100

Vo=Tensão de saída desejada, 24V

Vin =Tensão de entrada, 12V

Colocando todos os valores na equação acima, o ciclo de trabalho desejado é –

D = 50%

Um capacitor e um resistor de valor apropriado devem ser usados ​​para gerar a frequência de 10kHz e o ciclo de trabalho de 50%. 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. O valor do indutor pode ser calculado usando a equação padrão do CCM que é a seguinte –

Lmin>= Vo /(16* Fs*Io (min))

onde, Lmin = valor mínimo do indutor

F = 10kHz

Io (min) = Valor crítico da corrente de saída para manter uma tensão regulada na saída.

Assumindo Io (min) = 30mA

Colocando todos os valores na equação acima, o valor do indutor é obtido da seguinte forma –

Lmin>= 5mH

O valor do indutor deve estar de acordo com o cálculo e sua corrente nominal deve ser maior que a corrente de pico do indutor (equação padrão de CCM, corrente de pico, Ipk = (Vin*D*Ts)/L)

Como elemento de filtragem, um capacitor (mostrado como C3 no diagrama do circuito) é usado na saída do circuito. Na operação normal do circuito Boost, 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 C3, bem como no transistor Q1. Como o capacitor é conectado ao indutor apenas no ciclo negativo do sinal PWM, isso forma 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>= (Io (max) * D)/ (Fs*dVo)

Onde, Cmin = valor mínimo do capacitor

Corrente máxima na saída, Io (máx) = 100mA

Ciclo de trabalho, D = 0,5

Tensão de ondulação de saída desejada, dVo

Supondo que dVo = 100mV

Colocando todos os valores na equação acima, o valor da capacitância é obtido da seguinte forma –

Cmin>= (0,01 * 0,5)/ 10000*0,01

Cmin>= 50uF

C >= (0,01 * 0,5)/ 10000*0,01

C >= 50uF

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 100 uF.

C3 = 100uF

Os capacitores usados ​​no circuito devem ter uma classificação de tensão mais alta que a tensão de alimentação de entrada. Caso contrário, os capacitores começarão a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirão. Todos os capacitores devem ser descarregados antes de trabalhar em uma aplicação de fonte de alimentação CC. Para isso, os capacitores podem ser curto-circuitados com uma chave de fenda e luvas isoladas.

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 Boost simples consiste no indutor (L), um diodo (D), um capacitor (C) e um transistor onde o transistor atua como uma chave. No circuito boost, quando a chave é fechada, ou seja, o componente de comutação está em estado de condução, o indutor começa a gerar um campo magnético e armazena energia. A energia armazenada no indutor aumenta a tensão de saída em comparação com a tensão de entrada.

Quando a corrente começa a fluir através do componente de comutação, pois seu caminho é menos resistivo em comparação com o caminho em paralelo que contém o capacitor e a carga de saída, o indutor gera uma polaridade positiva em seu terminal esquerdo e negativa no terminal direito. Devido à mudança na polaridade, o diodo fica polarizado reversamente. Nesta condição, o capacitor, que foi carregado no ciclo anterior, fornece corrente para a carga enquanto o componente de chaveamento entra em estado de não condução ou abre entre o terra.

Quando a chave está aberta, a corrente é reduzida à medida que a impedância aumenta, de modo que o campo magnético gerado no indutor começa a entrar em colapso e a polaridade do indutor inverte. Isso torna o diodo polarizado diretamente e o capacitor agora começa a carregar com uma tensão maior que a tensão de entrada. Como a entrada agora possui duas fontes em série, uma é o indutor e a outra é a bateria. Portanto, a tensão de saída é sempre maior que a tensão de entrada.

Portanto, no estado LIGADO, o Diodo estava em Modo de Bloqueio (DESLIGADO) e o Transistor estava LIGADO. No estado OFF, o Diodo estava em modo de condução (ON) e o Transistor estava OFF.

Então, pode-se dizer que o Boost Converter possui dois componentes de chaveamento – um é o transistor e outro é o diodo. Por vez, apenas um dos componentes de comutação conduz, ou seja, está no estado LIGADO, enquanto o outro entra no estado de não condução, ou seja, entra no estado DESLIGADO.

Em primeiro lugar, a saída PWM do circuito 555 deve ser confirmada. A forma de onda de saída do circuito oscilador ou do temporizador 555 pode ser observada em um osciloscópio. A forma de onda gerada no circuito é obtida conforme mostrado na figura abaixo –

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

Tensão da bateria, Vin = 12V

Vou

Assim, pode-se observar que no limite de tolerância de +/-0,5V a corrente de saída de 49,5mA é obtida.

Mas como a corrente máxima de saída deve ser de 100mA para 24V, há uma queda de tensão devido às perdas no circuito como perdas de comutação e condução de diodo e MOSFET, perdas nos enrolamentos que circundam o núcleo do indutor, perdas por correntes parasitas e perdas por histerese no indutor, perdas no capacitor devido a ESR (Resistência em Série Equivalente) e perdas devido a Rds(on) de N-MOS. A eficiência do circuito é máxima quando a corrente de saída é 49,5mA. A eficiência do circuito pode ser calculada da seguinte forma –

Eficiência% = (Pout/Pin)*100

(Potência de saída) Pout = Vout*Iout

(Tensão de saída)Vout = 24,8V

(Corrente de saída) Iout = 49,5mA

Faneca = 1228mW (aprox.)

(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin

(Tensão de entrada) Vin = 12V

(Corrente de entrada) Iin = 115mA (medida a corrente de entrada usando amperímetro)

Pino = 1380mW

Colocando todos os valores,

Eficiência% = 88%

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 Boost Converter com circuito de feedback é projetado no próximo tutorial. Em segundo lugar, a eficiência deste projeto de conversor boost é de 88% devido às perdas de potência no circuito.

Este é um conversor boost de malha aberta com saída não isolada e operando no modo CCM. Ele pode ser usado como regulador de comutação para drivers de LED e como fonte de alimentação CC regulada. Ele pode ser usado para fornecer energia a dispositivos eletrônicos portáteis de baixa potência. Em aplicações alimentadas por bateria, quando há restrição de espaço para empilhar o número de baterias em série para atingir alta tensão, este conversor boost pode ser usado com menor número de baterias para fornecer energia CC.

Este conversor boost é simples de projetar e usa componentes baratos. Pode ser facilmente montado em pouco tempo. Além disso, não há necessidade de circuitos de controle para geração de sinal PWM neste projeto de conversor boost.

Circuito-Diagrama-Open-Loop-Boost-Converter-SMPS