Como projetar um conversor Buck AC-DC

Um conversor CA-CC é comumente usado em muitos dispositivos. Também chamado de retificador, ele converte corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC). A maioria dos dispositivos eletrônicos, como computadores, smartphones e circuitos eletrônicos, operam com energia CC.

No entanto, existem diferentes maneiras de converter energia CA em CC (conforme discutido no item anterior). CA para CC conversão artigo).

Para este projeto, empregaremos uma topologia não isolada usando um conversor buck (veja figura 1). Em uma fonte de alimentação não isolada, uma das linhas de alimentação CA é comum ao aterramento CC, portanto não há isolamento na entrada e na saída.

Figura 1. Diagrama de blocos de conversão CA para CC, com topologia não isolada usando conversor Buck.

O princípio de operação
A conversão CA para CC usando um conversor buck funciona por meio de topologia de comutação. O MOSFET interno no circuito integrado (IC) do conversor e seu oscilador geram o sinal de modulação por largura de pulso (PWM), regulando a tensão de saída através de uma rede de feedback.

Conceitualmente, esse é o mesmo princípio de um conversor buck dc-dc. Você pode aprender mais neste artigo sobre fonte de alimentação de modo comutado (SMPS), que aborda o design de um conversor buck.

Componentes necessários

Diagrama de circuito

Figura 2. O diagrama de circuito de uma conversão CA para CC usando um conversor Buck.

Componentes

Regulador de voltagem – um tipo de regulador de comutação deve ser usado para este projeto porque eles são mais eficientes do que lineares. Existem três tipos de reguladores de comutação: buck, boost e buck boost.

Para esta aplicação, usaremos um conversor Buck IC com os seguintes parâmetros:

• Uma tensão de dreno MOSFET integrada
• Uma tensão de alimentação operacional
• Potência de saída
• Um design não isolado

VIPER22IC – este é um conversor Buck com um MOSFET e alguns comparadores (veja Figura 3). Aqui estão suas especificações:

• Tensão de drenagem – 730V
• Tensão de alimentação operacional – 9 a 38V
• Potência de saída – 12W

Figura 3. O diagrama interno e a pinagem do IC do conversor buck Viper22.

Como funciona

• Pino VDD – do IC é usado para controlar a alimentação do circuito interno e fornece a corrente de carga no estágio inicial. O comparador compara a tensão VDD. Para VDD_sobre = 14,5V, o Viper começa a chavear. Para VDD_desligado = 8V, o Viper para de comutar.
• Ralo – Dreno MOSFET e também usado pela fonte de carregamento no estágio inicial
• Fonte – inclui a fonte MOSFET e o aterramento do circuito
• Facebook – controla o limite máximo de corrente de dreno do CI

Proteção e retificação de alta corrente
Para uma alta corrente de partida e curto-circuito, um fusível é usado no lado de entrada, que queima quando a corrente é maior que 1A.

Para converter a tensão CA em CC, é usado um retificador de meia onda. O diodo D1 forneceu a retificação de meia onda.

Figura 4. O diagrama do circuito da filtragem de entrada.

Conforme Figura 4, C1 ajuda a reduzir o ruído de interferência eletromagnética (EMI), equilibrando as linhas principais e neutras, pois passará no padrão de ruído EN55022 nível “B” (no entanto, se o requisito for menor, isso pode ser ignorado). O C2, C3 e L1 formam um filtro Pi, que também ajuda a reduzir o ruído EMI.

O resistor R2 garante que a corrente de pico permaneça baixa durante a inicialização do circuito.

Selecionando o capacitor de filtragem
A tensão mínima do capacitor deve ser 1,5 vezes maior que a tensão de entrada CA. A capacitância é normalmente duas ou três vezes a potência de saída.

Então, se a entrada AC – 220V, então…
A classificação de tensão de Cin = 2*220 = 440V

Se a potência de saída – Vout*Iout = 12*0,1= 1,2 W, então…
Cin = 2*1,2 = 2,4uF
De acordo com a disponibilidade C3, C4 são 10uF/400V

Selecionando o capacitor VDD

Figura 5. As conexões do circuito para selecionar o capacitor VDD.

Quando o dispositivo for iniciado, ele receberá alguma energia do indutor. O capacitor C7 ajuda a filtrar e estabilizar a tensão VDD. Também define a hora de inicialização do IC.

A folha de dados recomenda um capacitor de 100nF. Porém, considerando a tensão de saída, um capacitor de 4,7uF/25V pode ser usado no circuito. O capacitor C6 também filtra a tensão para o pino FB. Um pequeno picofarad de cerâmica funciona para este projeto.

Figura 6. As conexões do diagrama de circuito para o diodo de saída.

O diodo de saída
O diodo de saída D3 é chamado de diodo de captura ou de roda livre. No período ON-OFF do MOSFET, o indutor passa energia através do diodo como saída. É necessário um diodo retificador rápido que seja compatível com a frequência do IC. Qualquer queda no diodo causa perdas no circuito, o que afeta a eficiência.

O euqueda de tensão direta:

Tensão reversa nominal do diodo > Vin
Vin (CC) = 220*1,414 = 320V
ou seja, V_franco > 320V (no lado seguro pode ser usado 400V)

Usamos o diodo BY399 para este circuito.

Cálculo de perdas no diodo BY399:

P_d = Queda de tensão direta *Iout
P_d = 1*0,1
P_d = 0,1 V

Selecionando o indutor

Figura 7. O diagrama de circuito conecta para selecionar o indutor.

Os indutores L2 e C9 formam um filtro no circuito. A saída do indutor determinará os modos de operação descontínuo e contínuo. No modo contínuo, as perdas são maiores que no modo descontínuo. Para saber mais sobre esses dois modos, consulte este artigo.

A equação abaixo define a condição de limite do indutor para os modos contínuo e descontínuo. Para operar no modo descontínuo o “L” deverá ser menor que este:

L = 0,5*R*(1-D)/f

R = carga de saída, 120E
f= frequência do IC, 60kHz
D = ciclo de trabalho, Vo/Vin= 12/320= 0,0375
L = 1mH(aprox.)

Usamos L2 = 1mH, o que se adapta ao nosso design para este projeto.

Selecionando os diodos

Figura 8. As conexões do diagrama de circuito para selecionar o diodo Zener.

O circuito de trabalho

• Tensão de drenagem – A tensão do capacitor C4 é fornecida ao dreno do CI usando os pinos 5 a 8.
• Estado DESLIGADO – Quando o circuito é iniciado inicialmente, o Viper não está comutando. A fonte de corrente interna na alimentação do IC é de 1mA para o pino VDD. Esta corrente carrega o C7. Quando o VDD atinge 14,5 V, as fontes de corrente são desligadas e o Viper começa a alternar. Durante este período, o indutor e o capacitor de saída fornecem a energia de saída, que é carregada no estado anterior (estado ON).
• Estado ligado – Neste estado, o Viper está comutando e a energia armazenada no C7 é fornecida para a saída. Portanto, a energia armazenada em C7 deve ser maior que a necessária para a corrente de saída. Além disso, deve haver energia para carregar o capacitor de saída antes que o VDD caia abaixo de 8V. Como resultado, o tempo de carga e descarga do C7 é baseado no tempo LIGADO e DESLIGADO do circuito. O indutor também carrega através do MOSFET interno e o C7 fornece energia para a saída.
• Estado de roda livre – Este estado ocorre com o estado OFF. Quando a tensão VDD cai abaixo de 8 V (após fornecer energia à saída), o Viper para de comutar (estado DESLIGADO). Então, a fonte de corrente será ligada novamente e, simultaneamente, o indutor começará a descarregar através do diodo D3 (polarizado diretamente).
• Regulação de saída – D2, D5 e C8 regulam a tensão de saída. Durante o estado de roda livre, D5 carrega C8 e D4 carrega C7. A fonte ou referência de aterramento é uma queda de diodo, compensando a energia em C7 e C8. A tensão de saída permanece a mesma que a tensão Zener D2. O D2 é um Zener de baixa corrente, fornecendo a melhor precisão para a tensão de saída.

Gerenciamento termal
Para gerenciamento de calor do IC, revise este artigo sobre seleção de dissipador de calor. É possível determinar o limite máximo de dissipação de potência do circuito com ou sem dissipador de calor.

Observações práticas:

Vin = 220V AC, testado em caixa fechada, sem convecção natural
Sem carga, Vout = 14,88V

A folha de dados afirma que o IC será desligado se a temperatura da junção atingir 170 graus. Este circuito desligará acima de 100mA de corrente sem convecção natural (em fechado).

Precauções

1. Capacitores cerâmicos devem ser usados ​​na entrada e na saída para uma filtragem adequada, pois oferecem um baixo ESR.
2. Um sinal eletromagnético de alta potência pode prejudicar a capacidade do conversor de funcionar corretamente. A operação do indutor será interrompida se houver interferência de um campo magnético.
3. O curto-circuito nos terminais de saída do conversor deve ser evitado, pois pode causar danos permanentes ao CI.
4. A tensão nominal do capacitor deve ser 1,5 vezes maior que a tensão de entrada.
5. Descarregue totalmente o capacitor antes de manusear o circuito.
6. Ao manusear o circuito, luvas de segurança são obrigatórias, principalmente na linha de rede de saída.
7. Um dissipador de calor pode ser usado para o bom funcionamento do IC.
8. Não use uma fonte de alimentação não isolada onde a carga estiver próxima de uma pessoa.

Diretrizes de design de PCB

Mantenha os traços de energia grossos e curtos
Coloque o capacitor de entrada e saída o mais próximo possível dos pinos de entrada e saída do IC
Minimize o comprimento do caminho do indutor
Mantenha os nós de tensão e de comutação afastados um do outro
Mantenha todos os componentes o mais próximo possível do IC e tente reduzir o tamanho da PCB
Nota: Quanto maior a frequência do IC, maiores serão as perdas de chaveamento, o que diminui a eficiência. Contudo, uma frequência de comutação mais elevada reduz o tamanho do elemento de armazenamento de energia e melhora a resposta transitória.

Projeto de PCB
Fizemos a PCB do circuito usando KICAD (ver Figura 9).

Figura 9. O projeto de PCB do circuito de conversão CA para CC usando um conversor buck.

Figura 10. O protótipo do circuito.