Projetando SMPS de conversor de reforço não isolado de circuito fechado (Parte 2/12)

No tutorial anterior, o conversor boost de malha aberta SMPS 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 boost de malha aberta projetado no tutorial anterior não possuía tensão constante e regulada na saída. Para uma saída estável, um conversor Boost com circuito de detecção de erros precisa ser projetado. A detecção de erros pode ser feita adicionando um circuito de feedback que verifica continuamente o erro na tensão de saída e fornece uma tensão regulada na saída.

Portanto, neste tutorial, um conversor boost não isolado de malha fechada é projetado. O conversor boost pode ser projetado de duas maneiras-

Conversor boost de malha aberta – No conversor boost 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 boost de malha aberta não é regulada.

Conversor boost de malha fechada – No conversor boost de malha fechada, há um feedback da saída para a entrada. Portanto, a saída de um conversor boost de malha fechada é regulada.

Existem certos parâmetros de projeto envolvidos no projeto do conversor boost. É importante compreender esses parâmetros de projeto. Qualquer conversor boost 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 durante 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 boost não isolado é projetado, o que significa que a entrada e a saída compartilham o mesmo aterramento. O conversor boost projetado neste projeto aumentará de 12V DC a 24V DC com um limite de tolerância de +/-0,5V. Uma vez projetado e montado o circuito, o valor da tensão e corrente de saída será observado por meio de um multímetro. Esses valores indicarão a eficiência do conversor boost projetado no projeto.

O conversor boost projetado neste tutorial terá os seguintes parâmetros de projeto –

Tensão de entrada, Vin–Uma bateria de chumbo-ácido de 12V será usada como fonte. A tensão da bateria será a tensão de entrada

Tensão de saída, Vout – A tensão desejada na saída é 24V.

Corrente máxima de saída, Iout (máx.)–O limite máximo da corrente de saída será 100 mA.

Tensão de ondulação de saída (dV) – A ondulação máxima da tensão de saída assumida na saída será de 100mV

Resistência de carga – Neste circuito será conectada uma resistência na saída que funcionará como uma carga para o circuito. O valor máximo da resistência pode ser calculado pela lei de Ohm, que é a seguinte –

Vout = Iout(máx)*RL(máx)

RL(máx) = Vout/Iout(máx)

Colocando todos os valores,

RL = 240E

Agora a potência nominal da resistência pode ser calculada da seguinte forma – P = (Vout)2/(RL(max))

Colocando todos os valores,

Faneca = 2,4W

Portanto, uma resistência com valor de 240E e potência equivalente ou superior a 2,4W será usada como carga na saída para máxima eficiência.

Frequência (Fs)– A frequência do sinal PWM gerado pelo microcontrolador não deve ser muito alta ou baixa, portanto uma frequência de 10 KHz é selecionada para operar os componentes de comutação do circuito. O valor da frequência é assumido.

O conversor boost possui os seguintes blocos de circuito –

Uma bateria de 12 V é usada como fonte de alimentação de entrada no circuito. No projeto é utilizada uma bateria de chumbo-ácido de 12V. A própria tensão da bateria é a tensão de entrada no circuito.

Um oscilador é usado para gerar um sinal modulado por largura de pulso (PWM) da frequência desejada. Neste conversor boost, o Arduino UNO é usado para gerar o sinal PWM, portanto, a placa Arduino 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.

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 P30NF10 de canal N (mostrado como Q1 no diagrama de circuito) é conectado paralelamente à fonte DC de entrada que atua como uma chave no circuito, pois sua tensão limite é muito baixa, em torno de 4V. Portanto, pode ser acionado por um sinal PWM de 5V do microcontrolador. No estado ON o Vds do MOSFET P30NF10 também é muito baixo, o que reduz a dissipação de energia do nosso circuito.

Para ligar e desligar o MOSFET, um trem de pulso deve ser aplicado ao seu portão. Para isso, a placa controladora gera um sinal modulado por largura de pulso de 10kHz. Este sinal PWM é usado para ligar e desligar o MOSFET. Para gerar o sinal PWM do controlador, um esboço do Arduino foi gravado na placa. Este esboço do Arduino pode ser baixado da seção de código.

Deve-se notar que o tempo de comutação do MOSFET e do diodo deve ser menor que o tempo de subida e descida da onda PWM. 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 na 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. 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 na polarização direta e o RDS (ON) do MOSFET deve ser baixo. 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 10 kHz 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. Um indutor de valor de 11,5mH 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.

Como elemento de filtragem, um capacitor (mostrado como C1 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 DCM –

C1>= (Io(máx) * (1- (2*L1*Fs/RL)1/2))/ (Fs*dV)

Colocando todos os valores na equação acima,

C1 >= (0,1*(1-(2*0,0115*10.000/240) 1/2))/ (10.000*0,1)

C1 >= 3uF

Como um capacitor pode ser maior que o valor calculado, qualquer capacitor com valor equivalente a 3uF ou maior que 3uF pode ser utilizado.

Como é o valor mínimo de capacitor necessário, então no circuito é utilizado um capacitor de valor padrão que pode estar facilmente disponível e portanto é utilizado um capacitor de 47uF.

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 da seguinte forma –

De acordo com a regra do divisor de resistores –

Vr = Vo*(R4/R3+R4)

Onde,

Vr = saída desejada para o pino analógico

Vo = tensão de saída do conversor boost de malha aberta sem carga.

Foi observado que os valores de Vr e Vo são –

Vo = 110V

Vr = 5,2V

Vamos supor que R3 = 10K agora R4 é

5,2= 100*(R4/10K+R4)

R4 = 500E (aprox.)

Então R3 = 10K e R4 = 500E

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

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

Colocando todos os valores,

P3 = 1W (aprox.)

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

Colocando todos os valores,

P = 54mW (aprox.)

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 está 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.

O objetivo de fazer um conversor boost de malha fechada é aumentar a eficiência energética do circuito e melhorar a estabilidade da saída.

Neste circuito, Tensão de Entrada, Vin = 12V

A tensão de saída quando nenhuma carga está conectada é 24,3V

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

A eficiência energética do circuito pode ser calculada da seguinte forma –

Eficiência% = (Pout/Pin)*100

(Potência de saída) Pout = Vout*Iout

(Tensão de saída)Vout = 24,3V

(Corrente de saída) Iout = 100mA

Faneca = 2430 mW (aprox.)

(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin

(Tensão de entrada) Vin = 12V

(Corrente de entrada) Iin = 220mA (medida a corrente de entrada usando amperímetro)

Pino = 2640mW

Colocando todos os valores,

Eficiência% = 92%

Pode-se observar que ao utilizar um circuito de realimentação, a eficiência do conversor boost aumenta de 88% (conforme calculado no tutorial anterior) para 92%.

Este é um conversor boost de malha fechada com saída não isolada e operando no modo DCM. 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-Closed-Loop-Boost-Converter