Regulador de troca de câmbio: fundamentos de design e eficiência

Na eletrônica, um regulador é um dispositivo ou mecanismo que pode regular a saída de potência constantemente. Existem diferentes tipos de reguladores disponíveis no domínio da fonte de alimentação. Mas, principalmente, no caso de conversão DC para DC, existem dois tipos de reguladores disponíveis: Linear ou Comutação.

Um regulador linear regula a saída usando uma queda de tensão resistiva e, devido a isso, os reguladores lineares proporcionam menor eficiência e perdem energia na forma de calor.

Por outro lado, o regulador de chaveamento usa indutor, diodo e uma chave liga / desliga para transferir energia de sua fonte para a saída.

Existem três tipos de reguladores de comutação disponíveis.

1. Conversor de aumento (Boost Regulator)

2. Conversor abaixador (regulador Buck)

3. Inversor (Flyback)

Neste tutorial, descreveremos o circuito Switching Buck Regulator. Já descrevemos o projeto do regulador Buck no tutorial anterior. Aqui, discutiremos os diferentes aspectos do conversor Buck e como melhorar sua eficiência.

Diferença entre Buck e Boost Regulator

A diferença entre o regulador de impulso e o regulador de impulso é que, no regulador de impulso, a colocação do indutor, do diodo e do circuito de comutação é diferente do regulador de impulso. Além disso, no caso do regulador de reforço, a tensão de saída é maior do que a tensão de entrada, mas no regulador de Buck, a tensão de saída é menor do que a tensão de entrada.

Uma topologia buck ou conversor buck é uma das topologias básicas mais usadas no SMPS. É uma escolha popular onde precisamos converter uma tensão mais alta em uma tensão de saída mais baixa.

Da mesma forma que o regulador boost, um conversor buck ou regulador buck consiste em um indutor, mas a conexão do indutor está no estágio de saída ao invés do estágio de entrada usado nos reguladores boost.

Portanto, em muitos casos, precisamos converter a tensão mais baixa em tensão mais alta, dependendo dos requisitos. O regulador Buck converte a tensão do potencial mais alto para o potencial mais baixo.

Conceitos básicos do circuito conversor Buck

Na imagem acima, um circuito regulador Buck simples é mostrado, onde um indutor, um diodo, um capacitor e uma chave são usados. A entrada é conectada diretamente ao switch. O indutor e o capacitor são conectados na saída, assim a carga obtém uma forma de onda de corrente de saída suave. O diodo é usado para bloquear o fluxo de corrente negativa.

No caso de comutação de reguladores de reforço, existem duas fases, uma é a fase de carga do indutor ou a fase de ativação (na verdade, a chave está fechada) e a outra é a fase de descarga ou a fase de desligamento (a chave está aberta).

Se assumirmos que a chave está na posição aberta há muito tempo, a corrente no circuito é 0 e não há tensão presente.

Nesta situação, se a chave se aproximar, a corrente aumentará e o indutor criará uma tensão através dele. Esta queda de tensão minimiza a tensão da fonte na saída, após alguns momentos a taxa de mudança de corrente diminui e a tensão no indutor também diminui, o que eventualmente aumenta a tensão na carga. O indutor armazena energia usando seu campo magnético.

Então, quando a chave está ligada, através do indutor a tensão é V _L = Vin - Vout

A corrente no indutor aumenta a uma taxa de (Vin - Vout) / L

A corrente através do indutor aumenta linearmente com o tempo. A taxa de aumento da corrente linear é proporcional à tensão de entrada menos a tensão de saída dividida pela indutância

di / dt = (Vin - Vout) / L

O gráfico superior mostra a fase de carregamento do indutor. O eixo x denota t (tempo) e o eixo Y denota i (corrente através do indutor). A corrente está aumentando linearmente com o tempo quando a chave está fechada ou LIGADA.

durante esse tempo, enquanto a corrente ainda está mudando, sempre haverá uma queda de tensão ocorrendo no indutor. A tensão na carga será menor do que a tensão de entrada. Durante o estado desligado, enquanto a chave está aberta, a fonte de tensão de entrada é desconectada e o indutor transferirá a energia armazenada para a carga. O indutor se tornará a fonte atual da carga.

O Diodo D1 fornecerá um caminho de retorno da corrente que flui através do indutor durante o estado de desligamento.

A corrente do indutor diminui com uma inclinação igual a –Vout / L

Modos de operação do conversor Buck

O conversor Buck pode ser operado em dois modos diferentes. Modo contínuo ou modo descontínuo.

Modo contínuo

Durante o modo Contínuo, o indutor nunca descarregou totalmente, o ciclo de carga começa quando o indutor é parcialmente descarregado.

Na imagem acima, podemos ver, quando a chave liga quando a corrente do indutor (iI) aumenta linearmente, quando a chave desliga, o indutor começa a diminuir, mas a chave liga novamente enquanto o indutor está parcialmente descarregado. Este é o modo de operação contínuo.

A energia armazenada no indutor é E = (LI _L ²) / 2

Modo descontínuo

O modo descontínuo é ligeiramente diferente do modo contínuo. No modo descontínuo, o indutor descarregou totalmente antes de iniciar um novo ciclo de carga. O indutor descarregará totalmente até zero antes de o interruptor ser ligado.

Durante o modo descontínuo, como podemos ver na imagem acima, quando a chave liga o, a corrente do indutor (il) aumenta linearmente, então quando a chave sai, o indutor começa a diminuir, mas a chave só liga após o indutor é totalmente descarregado e a corrente do indutor tornou-se completamente zero. Este é o modo de operação descontínuo. Nesta operação, o fluxo de corrente pelo indutor não é contínuo.

PWM e ciclo de trabalho para circuito conversor Buck

Como discutimos no tutorial anterior do conversor de Buck, variando o ciclo de trabalho, podemos controlar o circuito regulador de Buck. Para isso, é necessário um sistema de controle básico. Além disso, é necessário um amplificador de erro e um circuito de controle de chave, que funcionará em modo contínuo ou descontínuo.

Portanto, para um circuito regulador de Buck completo, precisamos de um circuito adicional que irá variar o ciclo de trabalho e, portanto, a quantidade de tempo que o indutor recebe energia da fonte.

Na imagem acima, um amplificador de erro pode ser visto que detecta a tensão de saída através da carga usando um caminho de feedback e controla a chave. A técnica de controle mais comum inclui a técnica de PWM ou Modulação por largura de pulso, que é usada para controlar o ciclo de trabalho do circuito.

O circuito de controle controla quanto tempo a chave permanece aberta ou, controlando quanto tempo o indutor carrega ou descarrega.

Este circuito controla a chave dependendo do modo de operação. Ele pegará uma amostra da tensão de saída e subtrairá de uma tensão de referência e criará um pequeno sinal de erro, então este sinal de erro será comparado a um sinal de rampa do oscilador e da saída do comparador um sinal PWM operará ou controlará a chave o circuito.

Quando a tensão de saída muda, a tensão de erro também é afetada por ela. Devido à mudança de tensão de erro, o comparador controla a saída PWM. O PWM também mudou para uma posição quando a tensão de saída cria tensão de erro zero e, ao fazer isso, o sistema de malha de controle fechado executa o trabalho.

Felizmente, a maioria dos reguladores Switching buck modernos tem essa coisa embutida dentro do pacote IC. Assim, o design de circuito simples é obtido usando os reguladores de comutação modernos.

A tensão de realimentação de referência é feita usando uma rede divisora ​​de resistor. Este é o circuito adicional necessário junto com o indutor, diodos e capacitores.

Melhore a eficiência do circuito conversor Buck

Agora, se investigarmos sobre a eficiência, quanta potência fornecemos dentro do circuito e quanto obtemos na saída. (Pout / Pin) * 100%

Como a energia não pode ser criada nem destruída, ela só pode ser convertida, a maioria das energias elétricas perdem potências não utilizadas convertidas em calor. Além disso, não existe uma situação ideal no campo prático, a eficiência é um fator maior para selecionar reguladores de tensão.

Um dos principais fatores de perda de energia para um regulador de chaveamento é o diodo. A queda de tensão direta multiplicada pela corrente (Vf xi) é a potência não utilizada que é convertida em calor e reduz a eficiência do circuito regulador de comutação. Além disso, é o custo adicional do circuito para técnicas de gerenciamento térmico / de calor usando um dissipador de calor ou Ventiladores para resfriar o circuito do calor dissipado. Não apenas a queda de tensão direta, a recuperação reversa para diodos de silício também produz perda de energia desnecessária e redução da eficiência geral.

Uma das melhores maneiras de evitar um diodo de recuperação padrão é usar diodos Schottky no lugar de diodos que têm uma queda de tensão direta baixa e melhor recuperação reversa. Quando a eficiência máxima é necessária, o diodo pode ser substituído usando MOSFETs. Na tecnologia moderna, há uma abundância de opções disponíveis na seção do regulador Switching buck, que fornecem mais de 90% de eficiência facilmente.

Apesar de ter maior eficiência, técnica de design estacionário, componente menor, reguladores de chaveamento são barulhentos que um regulador linear. Ainda assim, eles são amplamente populares.

Exemplo de design para conversor Buck

Anteriormente, criamos um circuito regulador de buck usando MC34063 onde a saída de 5 V é gerada a partir da tensão de entrada de 12 V. MC34063 é o regulador de chaveamento que foi usado na configuração do regulador de Buck. Usamos um indutor, um diodo Schottky e capacitores.

Na imagem acima, Cout é o capacitor de saída e também usamos um indutor e um diodo Schottky que são os componentes básicos de um regulador de chaveamento. Também é usada uma rede de feedback. Os resistores R1 e R2 criam um circuito divisor de tensão que é necessário para o PWM do comparador e o estágio de amplificação de erro. A tensão de referência do comparador é 1,25 V.

Se vermos o projeto em detalhes, podemos ver que 75-78% de eficiência é alcançada por este circuito regulador de cambio de comutação MC34063. Eficiência adicional pode ser melhorada usando técnica de PCB adequada e obtendo procedimentos de gerenciamento térmico.

Exemplo de uso do regulador Buck-

1. Fonte de alimentação DC na aplicação de baixa tensão
2. Equipamento portátil
3. Equipamento de audio
4. Sistemas de hardware integrados.
5. Sistemas solares etc.