Como funcionam os conversores CC-CC?

Uma fonte de alimentação CC é usada em quase todos os dispositivos onde é necessária uma tensão regulada. Um conversor DC implementa o processo de conversão DC.

Existem dois tipos de conversores DC:

1. Conversor Buck – Reduz a tensão da fonte de entrada
2. Conversor Boost – Aumenta a tensão da fonte de entrada

Topologia de conversão

1. Regulador linear – Só pode ser usado como conversor Buck.
2. Regulador de modo de comutação – Pode ser usado como conversor buck e boost.

(Observação: para obter mais informações sobre como funcionam os reguladores lineares e de comutação, consulte nossa série anterior de fonte de alimentação comutada e fonte de alimentação do regulador linear.)

Neste experimento, projetaremos um conversor buck por chip switch mode e verificaremos de forma prática a curva de desempenho do IC.

Especificação

1. Reduza 12V DC para 3,3V DC
2. Corrente de saída 2A.

Diagrama de bloco

Componentes necessários

Diagrama de circuito

Princípio da Operação

O AP3512E é um IC de modo de comutação de conversor Buck fixo de 3,3 V. A faixa de tensão de entrada deste IC é de 4,5V a 18V. A saída continua atual é 2A

Descrição do pino principal

PT- É um pino digital que liga e desliga o IC. Dirija EN alto para LIGAR e baixo para DESLIGAR. Para inicialização automática puxei-o com um resistor de 100k.

SS- O pino de partida suave é usado para controlar a grande corrente de inrush e ultrapassagens de saída quando o circuito está ligado. SS geralmente está presente em conversores DC para DC para fazê-los iniciar de maneira suave. Conectar um capacitor de 0,1uF ao terra define o período SS para 15ms.

FB– O pino de feedback é usado para definir a tensão de saída usando a rede divisora ​​de resistores. Quando a tensão do pino FB excede 1,1 V, a proteção contra sobretensão é acionada e, quando está abaixo de 0,3 V, a proteção contra curto-circuito é realizada.

A referência de tensão deste pino de feedback é normalmente 0,925 V, a combinação da tensão de referência e da rede divisora ​​de resistores decidirá a tensão de saída.

Características

1. Proteção contra sobretensão
2. Proteção contra sobrecorrente
3. Desligamento térmico

Construção de circuito

Configurando a tensão de saída
A tensão de saída pode ser calculada pela fórmula abaixo:

Vout = 0,925(1+R1/R3)
Vout = 3,3V (pois é regulador fixo de 3,3V)
Vamos considerar R3 = 10k
Agora, colocando os valores na equação acima, obtemos
R1 = 26,1k aprox.

Seleção de indutor

O diagrama de fiação consiste em um indutor, capacitor e resistor junto com o IC regulador Buck. De acordo com a folha de dados do regulador para uma entrada de 12V e uma saída de 3,3V, um indutor de 4,7uH é mais adequado. A corrente nominal do indutor deve ser 1,15-1,25 vezes maior que a corrente de saída necessária.

A corrente de saída máxima que o IC pode fornecer é – 2A
Classificação de corrente mínima do indutor – 1,15 * 2 = 2,3A

Partida suave e filtragem

O capacitor na entrada e saída auxilia na filtragem da fonte de entrada, e um capacitor de 0,1uF define o período SS. Um capacitor de feedback C6 ajuda a estabilizar a tensão de saída em cargas altas.

(Nota: Para ter uma ideia detalhada sobre o funcionamento de um conversor boost, consulte nossa série anterior sobre SMPS.)

Como funciona o circuito

O regulador no circuito de fiação consiste em componentes externos, que são um indutor, um resistor e um capacitor. Internamente consiste em um transistor, que atua como uma chave.

Um indutor é usado para armazenar a energia na forma de um campo magnético. Então, aqui o indutor atua como um elemento armazenador de energia. Quando o circuito é alimentado com uma fonte de entrada de 12V o regulador começa a ligar e desligar com uma frequência de 500 kHz

Durante o período ON, o indutor carrega e fornece uma tensão regulada na saída. Durante o período OFF, o indutor e o capacitor de saída mantêm a saída regulada, liberando a energia armazenada que armazenam no estado ON. A rede divisora ​​de resistores fixa a tensão de saída em 3,3V.

Gerenciamento termal

O regulador de comutação é conhecido pela sua alta eficiência e baixa dissipação de energia, mas como sabemos esta natureza não é ideal.

Emissão e sua retificação

Então, testamos um capacitor cerâmico em paralelo com o pino de realimentação e o terminal de saída conforme visto no esquema (capacitor C6). Isso funciona bem em nosso projeto e a tensão de saída se estabiliza. Este capacitor é conhecido como capacitor feedforward, que adiciona compensação de chumbo ao circuito de feedback e aumenta a estabilidade do circuito.

Observação prática
Vin = 12V, Sistema de refrigeração = Sem dissipador e ventilador

**Podemos analisar que em uma corrente alta a tensão de saída começa a aumentar. Isto se deve aos efeitos de aquecimento do regulador em alta corrente.

De acordo com sua folha de dados, a tensão de referência aumenta com o aumento da temperatura. Isso aumentará ainda mais sua tensão de saída. Para isso, utilizamos a ventoinha de resfriamento para manter a temperatura do regulador e vimos o desempenho do regulador em alta corrente. Abaixo estão suas leituras.

Vin = 12V, Sistema de resfriamento = Ventilador 12V DC

Resultados praticamente observados vs. curva da folha de dados

Desempenho do CI

1. Regulação de carga – Regulada em 3,3V mesmo com carga alta.
2. Eficiência média de 88% para corrente > 200mA

Aplicativo

1. Em circuitos digitais que necessitam de 3,3 V como microcontroladores.
2. Dispositivos portáteis
3. Alimentação CC regulada
4. Usado como interface entre bateria e componente em CPU ou notebooks onde as demandas de tensão são inferiores à tensão da bateria.

Gerenciamento termal
A questão do aquecimento é um grande problema em um sistema de fornecimento de energia. Para dissipar o calor extra de qualquer circuito, vários métodos podem ser usados, como dissipador de calor, ventilador ou refrigerador termoelétrico. Para saber se nosso circuito precisa de algum gerenciamento térmico ou não consulte nosso artigo Gerenciamento térmico da fonte de alimentação.

Precauções

1. Um capacitor deve ser conectado entre o pino IN e o terra para manter a tensão de entrada CC regulada.
2. O capacitor usado no circuito deve ter uma tensão nominal mais alta do que a tensão de alimentação de entrada. Caso contrário, o capacitor começará a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodirá.
3. Para estabilidade do circuito, um capacitor cerâmico deve ser conectado em paralelo com o resistor de realimentação.
4. Certifique-se de que todos os capacitores estejam descarregados antes de trabalhar em uma fonte de alimentação CC.
5. A corrente nominal do indutor deve ser 1,15 vezes maior que a corrente de saída.
6. Não forneça uma tensão mais alta no terminal de entrada do IC do que sua faixa de tensão de entrada operacional.
7. Não coloque em curto os terminais de saída; isso reverterá o fluxo de corrente no IC e o IC ficará com defeito.
8. Além disso, não coloque em curto os terminais de entrada; isso gerará uma grande corrente no circuito e os componentes do circuito ficarão com defeito.
9. Efeito de frequência

A alta frequência aumenta as perdas de chaveamento, o que 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.

Diretrizes de design de PCB

1. Mantenha os traços de energia grossos e curtos.
2. Coloque o capacitor de entrada e saída tão próximo quanto o pino de entrada e saída do IC.
3. Minimize o comprimento do caminho do indutor.
4. Mantenha os nós de tensão e de comutação afastados uns dos outros.
5. Mantenha todos os componentes tão próximos quanto o IC e tente reduzir o tamanho do PCB

Layout de design de PCB