Projeto e Layout de PCB para Conversor Ressonante LLC

Os conversores DC-DC podem ser difíceis de projetar e até mesmo perigosos, especialmente quando consideramos conversores chaveados com alta corrente de saída. Entre os vários tipos de conversores chaveados e suas topologias, os projetos de conversores ressonantes LLC não são frequentemente discutidos até que se olhe para as notas de aplicação de empresas de eletrônica de potência. Esses conversores são partes chave de sistemas de alta potência como bancos de LEDs, aparelhos domésticos, fontes de alimentação de desktops e servidores, e muitos outros sistemas de conversão de energia.

Uma vez que você olha para algoritmos de controle e métodos para implementar um loop de feedback, um projeto de conversor ressonante LLC começa a mostrar seu valor. Você poderia implementar o mesmo tipo de algoritmo de controle que você usaria para um conversor buck-boost para acomodar uma fonte de alimentação com queda ou ondulação excessiva, mas você pode chegar a potências de saída mais altas com este tipo de conversor chaveado isolado. Quando você estiver pronto para criar seu layout de PCB para esses sistemas, há alguns pontos que você deve lembrar para segurança, gerenciamento de calor e supressão de ruído.

Projeto de Conversor Ressonante LLC

Um conversor ressonante LLC é um conversor de comutação isolado que controla a tensão de saída selecionando a frequência apropriada para um sinal de comutação. Isso contrasta com um conversor de comutação padrão (por exemplo, topologia buck ou boost), onde a saída é controlada através do ciclo de trabalho de um sinal de comutação. Esses sistemas são amplamente utilizados em muitas aplicações de alta potência, incluindo sistemas com entrada de CA principal.

O diagrama de blocos abaixo mostra as várias partes de um conversor ressonante LLC. O estágio de entrada do conversor geralmente consiste em um retificador, estágio de condicionamento de energia (circuito PFC) e banco de capacitores de suavização. Um filtro EMI pode ser colocado aqui se estivermos lidando com CA principal. Note que o estágio PFC não é estritamente necessário para um projeto de conversor ressonante LLC, mas ele manterá a eficiência da conversão de energia alta, assim como em qualquer outro regulador de comutação.

Conversão de Ponte Completa vs. Meia Ponte

O elemento de comutação em um projeto de conversor ressonante LLC é fornecido em duas configurações possíveis. Em um circuito de comutação de ponte completa, temos 4 MOSFETs, enquanto um circuito de comutação de meia-ponte possui 2 MOSFETs. Esses elementos comutam ligando e desligando da mesma forma que os diodos em um retificador de ponte alternam entre polarização direta e reversa quando alimentados com energia CA. Aqui, a ponte completa geralmente ocupa mais espaço e gera mais ruído. Eu prefiro um circuito de comutação de meia-ponte, pois o capacitor necessário para o controle de frequência pode ser colocado diretamente no circuito de meia-ponte (C1 e C2).

Retificação de Saída

A retificação no lado de saída pode ser aplicada de várias maneiras. O objetivo aqui é controlar a direção da corrente para que a saída seja sempre CC. Os capacitores no lado de saída suavizarão qualquer ondulação quando a seção da ponte comutar. Em conversores LLC mais simples, a retificação de saída é fornecida por diodos, enquanto um projeto de conversor ressonante LLC de alta corrente pode usar MOSFETs para fornecer retificação no lado de saída.

Controlando a Saída

A saída é definida selecionando a relação de voltas apropriada no transformador, assim como você faria com um circuito AC. No entanto, a magnitude da tensão vista no lado primário do transformador é controlada ajustando a frequência de um sinal de condução enviado ao circuito de comutação. Esse sinal de condução é um sinal de modulação de frequência de pulso (PFM) com ciclo de trabalho de ~50%.

O circuito tanque ressonante LC terá algum ganho, pois a única resistência no circuito é a resistência em estado ligado dos MOSFETs e a resistência de enrolamento dos transformadores/bobinas indutoras. Os valores típicos de ganho são de 1 a 1,5. À medida que a potência de saída diminui, o driver precisa ajustar a frequência do sinal PFM e aproximar o sistema da ressonância. Dessa forma, a potência de saída pode ser aumentada explorando apenas ganho suficiente no lado primário do transformador.

Este tipo de método de controle é simples o suficiente para ser implementado com um loop de feedback, circuito de detecção de corrente ou tensão e um MCU, conforme mostrado na Figura 3. Também existem PMICs integrados que podem fornecer essa funcionalidade de detecção e fornecer o sinal de pulso necessário para acionar o circuito de ponte. Geralmente, um optoacoplador é necessário para sentir a saída e alimentar isso de volta à entrada para ajuste da frequência de comutação, isso permitirá que uma saída detectada seja passada de volta ao lado primário enquanto mantém isolamento. Uma vez que você termine de projetar sua circuitaria e tenha selecionado todos os seus componentes necessários, você precisará pensar em como integrar tudo isso ao layout da sua PCB.

Colocação de Componentes no Seu Layout de PCB

Como os projetos de conversores ressonantes LLC são normalmente usados em sistemas de tensão moderadamente alta, há algumas dicas básicas de design a seguir:

• Transformador de saída: Siga as melhores práticas para fontes de alimentação DC isoladas ao colocar o transformador final. O transformador irá isolar o lado de alta tensão da saída, mas tenha cuidado com isso; um operador ainda pode ser exposto a alta tensão proveniente do loop de feedback.
• Retificador MOSFET: Para sistemas de alta corrente de saída, você pode acabar usando MOSFETs no lado de saída para fornecer a retificação de altas correntes. Um grupo de MOSFETs pode até ser usado em paralelo no lado de saída a fim de fornecer uma grande corrente sem riscar a quebra.
• Distâncias de Segurança: Se você está operando em alta tensão, aproveite as regras de design de distâncias de segurança em suas ferramentas de design de PCB. Você vai querer garantir que sua placa não viole os padrões de segurança sobre as distâncias entre condutores com alta diferença de potencial entre eles.
• Isolamento: Como foi brevemente mencionado acima, o isolamento precisa ser mantido passando a saída percebida de volta para o pino de feedback em um CI controlador usando um optoacoplador. O transformador também precisará fornecer algum nível de tensão de isolamento até algum limite de frequência/tensão, que pode ser especificado em padrões da indústria (IEC ou UL) ou em regulamentações.

Como acontece na maioria dos sistemas de alta potência, o layout provavelmente precisará de dissipadores de calor, ventiladores ou ambos, montados em componentes específicos. Para algo como uma placa de LED, que pode operar com 500 W ou mais, sua melhor opção é usar uma PCB de núcleo metálico, pois o núcleo de metal proporcionará dissipação natural de calor. Vias térmicas em pads críticos também podem ajudar aqui, dissipando calor para uma camada plana.

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