Projeto e Layout de Circuito PFC para Sistemas de Energia

Por mais que desejemos, a entrada de energia em uma PCB nem sempre é um sinal DC limpo ou uma onda senoidal. O DC vindo de um retificador terá alguma ondulação proveniente do capacitor de saída, e os sinais AC podem conter ruídos ou ser ondas senoidais menos que perfeitas. Existem algumas maneiras de corrigir esses problemas, seja escolhendo o circuito de filtragem adequado ou modelando a onda de entrada para produzir a máxima saída de energia para uma carga no sistema.

Se você está trabalhando com um sistema de energia AC, provavelmente precisará de correção do fator de potência (PFC) para reduzir seu consumo de corrente/energia na fonte de alimentação, ou para aumentar a energia disponível para a carga. Embora os circuitos de PFC estejam disponíveis como ICs, eles não podem lidar com as demandas de sistemas de alta tensão/corrente mais elevada. Você precisará do seu próprio design e layout de circuito PFC na PCB para aumentar seu fator de potência próximo de 1. Aqui está como você pode projetar e simular seu próprio circuito PFC, e nós lhe daremos algumas dicas de layout para o seu circuito PFC.

O que é Correção do Fator de Potência?

O fator de potência de uma fonte de alimentação é a razão entre a potência real consumida e a potência aparente (em volts e amperes RMS), e esse número varia de 0 a 1. Um regulador chaveado típico em um circuito de fonte de alimentação conectado a uma fonte AC com um retificador irá consumir corrente em pequenos pulsos uma vez que a tensão de entrada se aproxima do seu pico. Quanto mais a corrente retirada da linha de entrada se desvia da forma de onda de tensão senoidal, menor será o fator de potência. O fator de potência é basicamente outra métrica para eficiência de potência.

Como exemplo, suponha que um regulador seja 96% eficiente; se a fonte de alimentação total tem um fator de potência de 60%, então a eficiência real é de 96% x 60% = 57,6%. O objetivo de usar um projeto de circuito PFC é trazer o fator de potência o mais próximo possível de 1. Quando o fator de potência está mais próximo de 1, a potência real consumida se tornará mais próxima da potência aparente que você calcularia usando a tensão de entrada RMS ideal e a corrente.

Se você está planejando vender seu novo produto na Europa, precisará garantir que aplique PFC na sua fonte de alimentação. A regulamentação mais importante é a EN61000-3-2, que se aplica a sistemas de alimentação com pelo menos 75 W de potência de entrada e que puxam até 16 A na entrada de serviço. Esta regulamentação também estabelece limites para a distorção harmônica total (THD) até a 39ª harmônica, conforme medido na entrada de um regulador. Isso ilustra o outro benefício de um circuito PFC; uma fonte de alimentação com um fator de potência maior terá THD próximo de zero na entrada do regulador DC.

Projeto e Topologia de Circuito PFC

Um conversor PFC pode ser implementado com topologia boost ou buck. Existe também uma topologia buck-boost, embora esta não seja tão popular, pois a tensão de entrada normalmente precisa ser aumentada ou diminuída e regulada em um nível constante. As duas versões buck e boost são mostradas abaixo. Se esses diagramas de circuito correspondem ao que você esperaria de um conversor DC-DC buck ou boost padrão, então você está correto! Os diagramas de circuito no geral são idênticos, mas a seleção de componentes para esses circuitos influencia o aumento do fator de potência fornecido pelo circuito.

Então, o que torna um circuito PFC diferente de um regulador de comutação típico? O ponto crítico no design do circuito PFC é escolher o modo de funcionamento correto, o que envolve selecionar o indutor certo neste circuito. O indutor determinará quão rápido a corrente através do indutor aumenta à medida que a tensão de entrada sobe enquanto o MOSFET está ligado. Uma vez que o MOSFET é desligado, o indutor fornece uma FEM de retorno, que então direciona mais corrente para a carga.

A forma de onda de ripple do indutor é determinada pelo tamanho do indutor, assim como acontece em um regulador de comutação típico. A onda de ripple será maior quando o indutor for menor. O controle sobre a forma de onda é mantido aplicando um pulso PWM ou PFM ao MOSFET. Os três modos de circuito PFC mostrados abaixo são determinados pelo tamanho do indutor e pelo tipo de modulação aplicada ao MOSFET. A tabela abaixo resume a modulação e as características de corrente em cada modo.

Para fornecer adequadamente PWM ou PFM ao MOSFET de comutação, você precisa implementar um loop de feedback para um controlador PWM/PFM. Existem alguns CI's especializados que podem ser usados para esse propósito, mesmo em altas tensões.

Layout do PFC: Trate-o Como um Regulador de Comutação de Alta Potência

Talvez o ponto mais importante a lembrar ao trabalhar com qualquer conversor chaveado seja considerar o isolamento do ruído de chaveamento. Qualquer ruído proveniente de um regulador de comutação ruidoso ou circuito PFC, especialmente em alta corrente, gerará campos magnéticos fortes que podem induzir um sinal de ruído em um circuito a jusante. Note que a isolação galvânica remove a EMI conduzida, mas não a EMI irradiada, então você precisará prevenir qualquer ruído induzido com uma estrutura de isolamento para circuitos de baixo nível, como uma cerca de vias ou blindagem. Isso há muito tempo é um problema bem conhecido no design de fontes de alimentação, tanto para suprimentos de alta tensão quanto para reguladores de IC em eletrônicos de baixa potência.

Outros pontos a considerar são o design do sinal PWM ou PFM, o design da sua pilha de camadas e outras técnicas para reduzir a EMI irradiada. Quando você estiver trabalhando com altas tensões, também precisará garantir que definiu o espaçamento apropriado entre elementos condutores no layout da sua PCB para prevenir ESD. Esses espaçamentos são definidos nas normas IPC-2221. Dê uma olhada nestes artigos para aprender mais:

• Design de Circuito SMPS: Qual Frequência de Comutação Usar?
• Algumas Técnicas para Supressão de EMI em Conversores DC-DC em Produtos IoT
• Capacitância Interplana e Empilhamentos de PCB
• Usando um Calculador IPC-2221 para Design de Alta Tensão

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