Criar uma Fonte de Alimentação Buck-Boost

Nesta série de artigos, estamos analisando o design e a implementação dos principais tipos de reguladores e conversores de energia que você pode usar em um projeto eletrônico. Eu dei a um engenheiro recém-formado que eu oriento uma série de requisitos para demonstrar cada um desses tipos e registrei os resultados aqui para que você possa trabalhar nos mesmos exercícios e, esperançosamente, chegar aos mesmos resultados.

O próximo regulador chaveado é o último da nossa série sobre reguladores chaveados para estudantes. Os requisitos de design do meu engenheiro recém-formado eram que a fonte de alimentação deveria ser capaz de manter uma tensão de saída estável, mesmo se a tensão de alimentação for maior ou menor que a saída necessária. Em outras palavras, ela deveria ser capaz de aumentar e diminuir a tensão de alimentação para entregar uma saída de fornecimento estável para o dispositivo de carga. Esse tipo de regulador chaveado é extremamente útil, especialmente para dispositivos operados por bateria ou dispositivos com várias fontes de alimentação diferentes entre as quais ele alterna, dependendo das condições definidas ou do modo de operação necessário.

Meus requisitos para este design foram os seguintes:

• Faixa de Tensão de Entrada de 3,0 a 4,2 V
• Tensão de Saída 3,3 V
• Corrente de Saída 200 mA

Várias topologias podem ser usadas para alcançar essa operação de aumento e redução de tensão usando um único regulador. Neste artigo, discutiremos o seguinte:

• Conversor Buck-Boost
• SEPIC
• Ćuk
• Flyback

O conversor Buck-Boost é um tipo de fonte de alimentação comutada que utiliza tanto a funcionalidade do conversor boost quanto do conversor buck em um único circuito. Uma combinação de ambos os circuitos de aumento e redução de tensão pode fornecer uma tensão de saída estável em uma ampla gama de tensão de alimentação de entrada. Além disso, tanto os conversores boost quanto os buck usam componentes muito semelhantes que são simplesmente rearranjados dependendo de qual tipo de conversor é necessário.

No diagrama acima, você pode ver as semelhanças de ambas as topologias. Além disso, o mesmo indutor pode ser usado para ambas as topologias:

 

Na topologia combinada do conversor Boost-Buck mostrada no diagrama acima, você pode ver que a unidade de controle, que é um oscilador, PWM e controlador de feedback, tem a capacidade de selecionar entre a operação do conversor boost e a operação do conversor buck.

Funcionamento de um conversor buck

No modo de conversor buck, o transistor de comutação TR2 é desligado, e o transistor de comutação TR1 é ligado e desligado pelo controlador PWM de onda quadrada usando uma alta frequência conforme descrito na folha de dados do controlador.

Quando o transistor de comutação TR1 está LIGADO, a corrente flui através do indutor L, energizando seu campo magnético e, subsequentemente, carregando o capacitor de saída C e a carga de saída. O diodo Schottky D1 é desligado pela presença de uma tensão positiva em seu cátodo.

Quando o transistor de comutação TR1 está DESLIGADO, o indutor L torna-se a fonte de corrente enquanto seu campo magnético está colapsando, gerando uma FEM reversa e invertendo a polaridade da tensão através do indutor L. Isso liga o diodo Schottky D1, permitindo que a corrente flua através do diodo Schottky D2 para a carga de saída.

 

 

Funcionamento de um conversor boost

No modo de elevador de tensão, o transistor de comutação TR1 é ligado, e o transistor de comutação TR2 é ligado e desligado pelo controlador PWM de onda quadrada. Quando o transistor de comutação TR2 está ligado, a corrente de entrada flui através do indutor L e do transistor de comutação TR2 para o terminal de alimentação negativa (terra), energizando o campo magnético do indutor L. Durante esta fase do ciclo, o diodo Schottky D2 não pode conduzir, pois seu ânodo está sendo mantido na tensão do terminal de terra pelo transistor de comutação TR2, fornecendo um caminho de condução.

Durante este período, a carga de saída é fornecida inteiramente pela carga retida pelo capacitor C, que foi carregado em ciclos anteriores.

Quando o transistor de comutação TR2 está desligado, o indutor L é energizado, e o capacitor C é parcialmente descarregado. Durante esta fase do ciclo, o indutor L gera uma FEM de retorno. A energia da FEM dependerá tanto da taxa de variação da corrente quando o transistor de comutação TR2 liga e desliga, quanto da indutância.

Neste ponto, a polaridade no indutor L é invertida, e a tensão de FEM reversa agora se soma à tensão de entrada, então ela agora é maior que, ou pelo menos igual à, tensão de entrada. O diodo Schottky D2 agora está ligado, e assim o circuito fornece a carga de saída e carrega o capacitor C para que esteja pronto para a próxima fase do ciclo onde o transistor de comutação TR2 está LIGADO.

A função de transferência entre entrada e saída pode ser expressa por:

Funcionamento de um conversor SEPIC

Um SEPIC, ou Conversor Indutor Primário de Extremidade Única, é um tipo de conversor que também pode reduzir, aumentar ou fornecer uma tensão igual à da fonte de alimentação para a carga de saída. A topologia do conversor SEPIC é tipicamente baseada em um conversor elevador e um conversor abaixador-elevador invertido. Esse tipo de conversor é popular para aplicações com baterias devido à sua eficiência e confiabilidade.

Quando o transistor interruptor S1 está LIGADO, a corrente flui através do indutor L1, e a corrente através de L2 torna-se negativa. A energia que flui através de L1 vem da fonte de entrada. O diodo D1 está LIGADO, e o capacitor C1 fornece a energia elétrica e aumenta a amplitude da corrente que flui através do indutor L2. Isso aumenta a energia armazenada em seu campo magnético, com a corrente sendo fornecida a partir do capacitor C2.

Quando o transistor interruptor S1 está DESLIGADO, a corrente que flui através do capacitor C1 torna-se igual à corrente que flui através do indutor L1. Como os indutores não permitem uma mudança instantânea de corrente, a corrente que flui através do indutor L2 ainda estará em uma direção negativa. Portanto, quando o transistor interruptor S1 está DESLIGADO, a energia para a carga de saída é fornecida pelos indutores L1 e L2. O capacitor C1 será carregado durante este período pelo indutor L1.

A função de transferência entre entrada e saída pode ser expressa por:

Funcionamento de um conversor Ćuk

O conversor Ćuk (também referido como o 'conversor inversor de dois indutores') é um conversor SEPIC inversor com topologia flyback. Este conversor é semelhante aos outros desta lista pelo fato de ser capaz de operações de aumento e redução de tensão. A energia utilizada pelo conversor é transferida para o capacitor uma vez que o interruptor de transistor está aberto. Isso significa que o elemento principal de armazenamento de energia no circuito do conversor Ćuk é o capacitor, ao contrário da maioria das outras topologias de fonte de alimentação chaveada onde o principal elemento de armazenamento de energia é um indutor.

A topologia utiliza ou dois indutores separados ou um único componente chamado indutor acoplado.

O conversor Ćuk consiste em dois indutores, dois capacitores, um interruptor de transistor e um diodo. Este conversor é do tipo inversor, o que significa que a tensão de saída é negativa em relação à tensão de entrada.

O capacitor C1 é usado para transferir energia de alta frequência. Ele é conectado alternadamente à entrada e à saída do conversor Ćuk entre um transistor de comutação paralelo e um diodo. Dois indutores, L1 e L2, são usados para transformar a fonte de tensão de entrada E e a fonte de tensão de saída U em fontes de corrente. Por um curto período, os indutores podem ser considerados como fontes de corrente, pois são capazes de manter uma corrente constante. Carregar o capacitor de saída C2 com a fonte de corrente (o indutor) é um método para prevenir a limitação de corrente resistiva e a perda de energia associada.

O conversor Ćuk pode trabalhar em modo de corrente contínua, modo de corrente descontínua e modo de tensão descontínua.

A função de transferência entre entrada e saída pode ser expressa por:

Operação de um conversor flyback

Um conversor flyback é um conversor comutado DC-DC isolado que pode aumentar ou reduzir uma tensão de entrada. Este conversor usa isolamento galvânico para separar a saída da entrada. Um indutor dividido é usado para formar um transformador para essa isolação.

Você pode ver que a topologia do conversor DC-DC flyback é bastante semelhante à topologia do conversor boost-buck; a diferença é que um transformador é usado em vez de um indutor. Os princípios de funcionamento para ambos os tipos de conversores também são muito semelhantes.

Quando o interruptor está LIGADO, a bobina primária do transformador é conectada à fonte de tensão de entrada. Isso permite que a corrente na bobina primária aumente, e o campo magnético ao redor da bobina primária armazena energia no transformador. A tensão que é induzida na bobina secundária é negativa, o que significa que o diodo está polarizado inversamente, e o capacitor de saída fornece a carga de saída.

Quando o interruptor está DESLIGADO, a corrente da bobina primária diminui, e o campo magnético reduz. A tensão da bobina secundária é positiva, e a corrente flui através do diodo polarizado diretamente para fornecer energia ao capacitor e à carga de saída.

A função de transferência entre entrada e saída pode ser expressa por:

Existem outros tipos de fontes de alimentação DC-DC comutadas com a capacidade de aumentar e reduzir tensões, mas deixaremos a discussão dessas para outra ocasião.

Operação de um conversor boost-buck

A topologia escolhida pelo meu engenheiro recém-formado para esta tarefa foi um conversor boost-buck. No entanto, todas as outras topologias que discutimos também serão capazes de realizar a operação necessária para esta tarefa, então você pode experimentar com essas diferentes topologias. Experimentar com diferentes topologias e tentar alcançar os mesmos resultados pode parecer inútil à primeira vista, mas esses exercícios aumentarão significativamente seu conhecimento e compreensão sobre fontes de alimentação. Melhor de tudo, isso lhe dará uma vantagem caso você se depare com uma tarefa ou trabalho, ou exercício de universidade/faculdade, onde você precisa escolher uma fonte de alimentação para um dispositivo ou aplicação.

O CI escolhido pelo meu engenheiro recém-formado foi o Texas Instruments TPS63000, que é um dispositivo de preço médio com uma tensão de saída ajustável positiva e a capacidade de manter 1,2 A de corrente de saída no modo de redução e 800 mA de corrente de saída no modo de aumento de operações.

Este CI foi escolhido devido ao seu baixo preço, boa disponibilidade, alta eficiência na carga requerida (até 200 mA), é bastante barato e tem uma montagem de componentes simples e layout de PCB simples.

Este CI é projetado principalmente para dispositivos portáteis alimentados por bateria, especialmente aqueles alimentados por duas ou três células alcalinas, NiCd, NiMH, ou uma única célula de bateria de lítio-polímero ou lítio-íon.

Este regulador de CI pode ser adquirido na maioria dos distribuidores de componentes eletrônicos, como Mouser, Digi-Key, Farnell, Arrow, Vertical, RS Components.

O TPS63000 é um dos reguladores DC-DC boost-buck da série TPS6300X que possui uma tensão de saída ajustável. Os outros dois dispositivos nesta série têm tensões de saída fixas de 3,3 V e 5 V. Escolhemos a variante de tensão ajustável devido à flexibilidade que oferece. Com apenas alguns cálculos adicionais e a troca de alguns componentes, o regulador pode ser facilmente convertido de uma saída de 3,3 V para uma de 5 V e vice-versa.

Este regulador de CI vem com as funções de Habilitação do Dispositivo (EN), bloqueio por sub-tensão, proteção contra superaquecimento e modo de economia de energia.

A função de Habilitação do Dispositivo (ou EN) permite o controle do regulador, desligando-o se necessário. Esta função utiliza um pino EN dedicado, que pode ser ativado (pulled high) quando a operação do regulador está habilitada e desativado (pulled down) quando o regulador precisa ser desligado. Esta função pode ser controlada por um MCU, um dispositivo observador ou supervisor, ou usando um simples transistor ou porta lógica.

A proteção contra sub-tensão impede que o regulador inicie quando a tensão de alimentação de entrada está abaixo da tensão de limiar do regulador. Esta função previne a operação incorreta do regulador quando a tensão de alimentação de entrada está fora dos limites. Quando a tensão de alimentação de entrada está dentro dos limites, então o regulador reinicia automaticamente.

A função de proteção contra sobretemperatura permite que o regulador se desligue automaticamente quando a temperatura internamente sentida excede um limiar definido, protegendo o CI e o resto do circuito.

O modo de economia de energia utiliza um pino PS/SYNC dedicado. Com o pino ativado, o modo de economia de energia é desabilitado, e com desativado, é habilitado. Conectar um sinal de relógio a este pino nos permitirá implementar a sincronização de frequência.

Design esquemático

Você verá que o design esquemático não foi complicado, pois tanto o design do circuito quanto os componentes necessários foram recomendados na folha de dados do dispositivo.

Como de costume para o primeiro passo, a tensão de saída foi ajustada para 3,3 V usando a seguinte fórmula fornecida na folha de dados:

Todos os valores das variáveis podem ser encontrados na folha de dados. A tensão de feedback VFB é de cerca de 500 mV, e nossa tensão de saída requerida VOUT é 3,3 V. O resistor R2 deve ser menor que 500 kΩ, então, para começar, o valor escolhido foi 200 kΩ.

O valor inicial calculado de R1 foi 1,12 MΩ. Para conveniência, esse valor foi alterado para 1 MΩ e, usando esse valor, o valor calculado de R2 torna-se 178 kΩ.

A folha de dados também recomendou adicionar um capacitor feedforward adicional Cff em paralelo com R2 para fornecer um feedback mais estável e melhorar o desempenho de controle. A fórmula para calcular o capacitor feedforward também foi fornecida na folha de dados da seguinte forma:

Então, usando esta equação, o valor do capacitor calculado foi de 2,2 pF.

A folha de dados também inclui algumas recomendações de indutores; no entanto, meu engenheiro recém-formado decidiu calcular e selecionar o indutor por conta própria. A fórmula necessária também foi dada na folha de dados:

 

Primeiro, o ciclo de trabalho do modo boost foi calculado:

Como este é o ciclo de trabalho da operação de boost, o valor da tensão de entrada Vin utilizada deve ser a menor tensão de operação na qual o conversor funcionará na aplicação. No nosso caso, é de 3,0 V. A tensão de saída Vout é de 3,3 V.

Agora, como calculamos o ciclo de trabalho do modo boost, as outras variáveis são:

A frequência de comutação do conversor f = 2,5 MHz
O valor do indutor pode ser alterado durante o curso dos cálculos, mas começamos com um valor de 2,2 uH, pois isso foi recomendado no projeto do circuito na folha de dados.

A corrente de saída foi escolhida para ser de 300 mA para fornecer uma margem suficiente de erro.

A eficiência do conversor foi escolhida para ser de 0,94. Isso foi lido a partir das curvas de eficiência fornecidas no gráfico da folha de dados:

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

O valor lido do gráfico é aproximado, mas não tenha medo de usar valores aproximados em engenharia, pois todo o projeto eletrônico é baseado no uso de margens e valores aproximados.

Usando esses valores, a corrente de pico do indutor calculada é:

O indutor LQH31CN2R2M03L produzido pela Murata foi escolhido. Sua indutância é de 2,2 uH, sua corrente nominal é de 430 mA, e ele tem o mesmo tamanho pequeno de um SMD 1206.

O capacitor de entrada, seguindo as recomendações da ficha técnica, deve ser de pelo menos 4,7 uF, e o valor do capacitor de saída deve ser de pelo menos 15 uF. No entanto, esses valores podem ser aumentados acima dessas recomendações, pois isso reduzirá a ondulação de tensão de entrada e saída. Meu engenheiro recém-formado escolheu, para esta aplicação, usar um capacitor de 10 uF para a entrada e dois capacitores com valores de 10 uF e 22 uF para a saída.

Há também um filtro passa-baixa RC adicional para o pino de alimentação de controle VINA. Os valores do filtro RC para o resistor e o capacitor foram retirados da ficha técnica.

Os conectores escolhidos desta vez foram blocos de terminais em barra disponíveis da Molex.

Esses conectores são fáceis de soldar e podem ser usados com fios de cabeçalho feminino, que estão disponíveis facilmente em todos os lugares e podem transportar 200 mA de corrente com facilidade.

Todas essas escolhas levaram a este esquemático projetado para o regulador TPS63000 DC-DC boost-buck:

Design de PCB

Você verá que o design do PCB também foi bastante simples para este exercício. As recomendações foram retiradas da folha de dados, e apenas mudanças mínimas de design foram necessárias.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

A colocação dos componentes foi inicialmente feita de acordo com as recomendações da folha de dados:

Como temos dois aterramentos separados para o aterramento de potência PGND e o aterramento do circuito de controle GND, que são conectados com o componente Net Tie, o Net Tie foi colocado na parte inferior, próximo ao pino GND:

O próximo passo no layout do PCB foi rotear manualmente as trilhas. Esta técnica permite um controle mais fácil do fluxo de corrente no PCB e pode mostrar muitos detalhes.

As considerações térmicas para o design da PCB não foram muito rigorosas porque o design foi formado para aplicações de corrente de saída <200 mA. A dissipação máxima de potência do regulador IC foi calculada na folha de dados da seguinte forma:

Ao calcular a dissipação de potência a 3,3 V com uma saída de 200 mA, além de incluir as perdas de dissipação resultantes de ter uma eficiência de cerca de 90%, obteremos:

Polígonos largos foram usados para as trilhas de entrada e saída, além dos planos de terra na parte superior e inferior. Estes foram avaliados como mais do que suficientes para a aplicação.

Então, os polígonos de potência foram adicionados:

Finalmente, os planos de terra foram adicionados às camadas superior e inferior:

Conclusão

Existem muitas aplicações em gadgets eletrônicos modernos onde a capacidade combinada de aumentar e diminuir uma tensão em um único regulador é necessária. Isso é especialmente necessário para aplicações de bateria, pois a tensão da bateria tende a diminuir durante a descarga. Outras aplicações podem ser supercapacitores ou um regulador que pode funcionar a partir de várias fontes de alimentação, por exemplo, geralmente usando uma bateria, mas mudando para uma fonte de alimentação USB quando conectado para recarregar a bateria.

Discuti várias topologias diferentes disponíveis para reguladores de tensão de aumento (step-up) e redução (step-down). Isso inclui um conversor boost-buck não isolado, um conversor SEPIC, um conversor Ćuk e um conversor flyback isolado. A escolha dependerá da aplicação, do orçamento, de quaisquer dificuldades operacionais ou de circuito, disponibilidade e muitos outros aspectos. Experimentar com o uso de diferentes topologias para suas aplicações pode ser uma ótima ideia, pois desenvolve seu conhecimento sobre elas. Pode chegar um momento em que você será solicitado a projetar um circuito que requer tal regulador; será mais fácil para você escolher entre essas topologias se você já tiver experimentado todas elas.

O design dos componentes desta aplicação não foi complicado, pois a folha de dados inclui explicações, recomendações e diretrizes bastante claras. No entanto, em outras situações, você pode descobrir que o design de circuitos de reguladores de aumento e redução de tensão pode exigir circuitos muito complicados, que podem envolver muitos cálculos e escolhas cuidadosas de componentes. Outras topologias também podem exigir o uso de mais componentes indutivos, o que tende a aumentar a complexidade do circuito e o custo de implementação do design.

Você viu que o design da PCB para este conversor também foi relativamente fácil porque a folha de dados forneceu a recomendação de layout, que foi facilmente adaptada. No entanto, para aplicações com correntes de carga mais altas, o design da PCB pode se tornar muito complicado devido aos requisitos mais complexos de gerenciamento térmico. Além disso, para aplicações com requisitos de corrente mais alta, haverá a necessidade de considerar os efeitos EMI.

Você pode encontrar os arquivos de design de muitos dos meus projetos liberados sob a licença de código aberto MIT no GitHub. Você está livre para usar qualquer um dos circuitos ou projetos como desejar, mesmo para projetos comerciais. Você encontrará detalhes dos dispositivos que discutimos na minha enorme biblioteca de código aberto Altium Designer Library. Você também encontrará detalhes de uma enorme variedade de componentes diferentes contidos nesta biblioteca também.