Projeto Eficiente de Conversor DC-DC: Medidas Automatizadas com Altium Designer 24 MixedSim

Um dos principais desafios na eletrônica moderna é fornecer soluções de fornecimento de energia sob medida. Esta seção pode ser composta por muitos diferentes SMPS (fonte de alimentação comutada) como conversores de AC para DC ou de DC para DC. Em aplicações de alta potência, a conversão de AC para DC pode requerer um controlador PFC para alcançar um bom fator de potência do dispositivo (ou seja, redução de harmônicos e consumo de potência aparente). Os desafios típicos no design de SMPS são:

1. quantidade de reguladores SMPS para alcançar as tensões e correntes de fornecimento de energia requeridas pelo design;
2. custos de implementação;
3. área necessária para implementar o design;
4. design do layout;
5. eficiência e redução de calor ou suporte de design de gestão térmica.

Os pontos "d" e "e" podem ser facilmente abordados com a Simulação Mista do Altium Designer. Por exemplo, você pode simular as densidades de corrente na PCB usando o Power Analyzer da Keysight, que pode ser integrado com o Altium Designer. Este artigo mergulha em tornar um conversor buck DC-DC mais eficiente, compartilhando algumas dicas fáceis e eficazes para estimar rapidamente sua eficiência.

Sobre o Design do Conversor Buck

O esquemático básico do conversor buck é mostrado em Figura 1:

Figura 1

Ele utiliza quatro amplificadores operacionais para criar o gerador de sinal de rampa (U3A), amplificador de erro (U1B), buffer para o sinal de rampa (U2B) e modulador (U2A). A tensão de referência é simulada como uma fonte DC conectada ao amplificador de erro através de uma rede RC, fornecendo um recurso de partida suave. Figura 1 é um conversor em modo de tensão, usando modulação PWM para definir a tensão de saída.

O estágio de potência é construído em torno de Q1, L1, D2 e C2, com R7 servindo como a resistência de carga para o conversor. Componentes relacionados a U3A definem a frequência de operação, que pode ser facilmente ajustada alterando C1. Com C1 ajustado para 4.3nF, a frequência é de cerca de 100kHz.

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A rede de compensação, que afeta a estabilidade do conversor, pode ser ajustada para melhorar a estabilidade ou a resposta de degrau (C4, C3-R10 e R12-C6). R8 e R9, juntamente com a tensão de referência, definem a tensão de saída. Neste caso, R8 e R9 criam um divisor de 1:2, resultando em uma tensão de saída de 6V.

Figura 2 mostra os sinais coletados durante a simulação. A corrente de saída é ajustada para 2A, o que também é refletido na corrente média através de L1.

Figura 2

Para estimar a eficiência do design, duas quantidades devem ser calculadas a partir do design: potência de entrada e potência de saída. A razão entre a potência de saída e a potência de entrada é a eficiência.

A simulação SPICE no Altium Designer pode facilmente fornecer cálculos de potência e a divisão dessas quantidades para determinar o valor da eficiência.

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Como Calcular a Potência de Entrada

A potência de entrada para o conversor DC-DC vem de V1 (uma fonte DC). Você pode obter a potência de V1 a partir da janela Adicionar Expressão de Saída, acessada através da aba Painel de Simulação (veja Figura 3).

Figura 3

Figura 4 mostra o gráfico de potência (gráfico 4):

Figura 4

Para calcular o consumo de potência, você pode fazer a média da forma de onda usando a expressão AVG() (veja Figura 5).

Figura 5

Figura 6 apresenta a forma de onda média, embora algumas ondulações sejam visíveis devido ao intervalo da janela. O consumo de potência pode ser lido usando um cursor, que mostra 13.26W.

Figura 6

Para obter o valor instantâneo da potência entregue ao conversor, uma medição pode ser configurada conforme mostrado em Figura 7.

Figura 7

Adicionalmente, a função AVG() deve ser removida da expressão da forma de onda para evitar a média de uma forma de onda já média, pois isso pode resultar em imprecisões. A aba de Medidas de Dados de Simulação exibirá a potência fornecida por V1, conforme mostrado em Figura 8.

Figura 8

Como Calcular a Potência de Saída

O cálculo da potência de saída (entregue a R7) pode ser realizado da mesma maneira, conforme mostrado em Figura 9 e Figura 10.

Figura 9: Configuração para o traço de potência de R7

Figura 10: Valores de potência de entrada (PWR-IN) e saída (PWR-OUT) obtidos por meio de "Medições"

Como Calcular a Eficiência

O próximo passo para calcular a eficiência é dividir a potência de saída pela potência de entrada. Uma maneira de fazer isso é criar um traço no gráfico que representa a divisão das duas potências (Figura 11) e tirar uma média (Figura 12). Opcionalmente, você pode multiplicar por 100 para apresentar os resultados como uma porcentagem. Note que a função AVG() em Medidas é aplicada ao longo de um intervalo de tempo de 875µs a 1ms para fazer a média apenas da parte da forma de onda que pode ser considerada um estado estável (veja Figura 13).

Figura 11: Expressão de traço para eficiência

Figura 12 & 13: Configuração de medição para cálculo de eficiência

O valor da eficiência é exibido na aba Dados de Simulação (Figura 14). O valor medido é 0,82 (82%). Mudanças adicionais no design na Figura 1 podem ser necessárias para aumentar a eficiência para um valor mais alto (ou seja, para reduzir a dissipação de calor). Por exemplo, a retificação síncrona pode ser usada em vez de D2, ou a força de acionamento para o portão de Q1 pode ser aumentada.

Figura 14: Eficiência do conversor DC-DC exibida na aba "Medições"

Em Conclusão

A simulação SPICE no Altium Designer pode atender aos seus desafios de design de fonte de alimentação para reduzir tempo e custo. Medidas de eficiência ou corrente do indutor, bem como ajustes de design em tempo real, podem ser facilmente implementados usando opções avançadas como Medidas e operações matemáticas. A facilidade de uso e a flexibilidade do ambiente de simulação podem lidar até mesmo com desafios de design complexos, economizando seu tempo e permitindo que você se concentre em alcançar a melhor implementação de design.