Projeto de Circuito SMPS: Qual Frequência de Comutação Usar?

Fonte de alimentação em um switch de rede

Os projetistas de eletrônica de potência e fonte de alimentação comutada (SMPS) devem saber que trabalhar com frequências de comutação mais altas pode levar a maiores perdas por comutação no seu sistema. No entanto, a pressão para miniaturizar as fontes de alimentação e os componentes que as compõem obriga os projetistas a trabalhar com frequências de comutação mais altas em seus projetos de circuito SMPS. Isso, então, cria problemas onde as perdas por comutação e o ruído podem se tornar severos no seu sistema.

Como na maioria das decisões de engenharia, escolher a frequência de comutação certa representa um conjunto de compensações que envolvem reduzir o tamanho dos componentes, reduzir as perdas e remover o ruído; pode ser difícil ou impossível alcançar esses três objetivos simultaneamente. No entanto, com algumas decisões inteligentes de layout de PCB, você pode equilibrar a necessidade de frequências e taxas de transição mais altas no seu circuito SMPS com a necessidade de manter o ruído ao mínimo.

Otimizando Frequência, Perda e Ruído em um Circuito SMPS

Para que um SMPS opere com componentes menores, o sinal PWM de comutação deve funcionar em uma frequência mais alta. O indutor de saída, o capacitor e o diodo são projetados para passar energia DC através da saída enquanto filtram o ruído de comutação, qualquer ondulação residual da tensão de entrada (por exemplo, de um circuito retificador) e quaisquer harmônicos espúrios que possam estar presentes na entrada. Em outras palavras, a saída age como um filtro passa-baixa (na verdade, este é um filtro passa-banda RLC) dentro de uma certa largura de banda. Podemos definir uma frequência de corte para este filtro (não confundir com a frequência de joelho de um sinal digital de comutação).

Para evitar que o ruído de comutação PWM se propague através da saída, a frequência de comutação PWM deve ser maior do que a frequência de corte do circuito. Seja trabalhando com uma topologia buck ou boost no seu circuito SMPS, a frequência de corte da saída será inversamente proporcional à capacitância e à indutância de saída. Em outras palavras, você pode usar componentes menores no seu circuito SMPS se usar uma frequência de comutação PWM suficientemente alta.

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Diagrama do circuito SMPS buck-boost

Geralmente, assume-se que a frequência de comutação do sinal PWM no seu circuito SMPS será o principal determinante das perdas, que são então convertidas em calor. Essa questão de usar uma frequência mais alta é correta, mas a frequência não é o único parâmetro que determina as perdas no MOSFET. Na realidade, com MOSFETs de potência usados em circuitos SMPS, a taxa de variação de borda é um importante determinante das perdas de aquecimento no circuito SMPS.

Nenhum elemento de circuito é ideal, mas tendemos a tratá-los como tal quando não é apropriado. O mesmo se aplica ao MOSFET mostrado acima. Quando o sinal PWM cai para 0 V, o MOSFET pode não desligar completamente e pode continuar conduzindo quando a taxa de variação de borda é muito lenta. Se você aumentar a taxa de variação de borda do sinal PWM, o MOSFET pode ser totalmente ciclado e ele conduzirá menos no estado DESLIGADO. Isso realmente reduz a perda de potência, mesmo quando a frequência de comutação é definida para um valor mais alto.

A combinação de uma frequência PWM mais alta e uma taxa de transição PWM mais rápida permite o uso de componentes menores no circuito SMPS. Como as perdas de potência (ou seja, dissipação de calor) são menores, pode-se usar um dissipador de calor menor. No entanto, o sinal PWM de alta frequência irradia fortemente, e a taxa de transição rápida leva a uma resposta transitória no circuito. Esse comportamento está totalmente relacionado à capacitância parasita e à indutância nos níveis do pacote MOSFET e do layout da placa. Você precisará garantir que seu circuito SMPS seja projetado de tal forma que a indutância parasita seja minimizada.

Reduza os Picos de Ruído do SMPS com Escolhas Inteligentes de Layout

A indutância parasita no seu circuito SMPS (que inclui a PDN a jusante) determinará o tamanho do pico de tensão no circuito SMPS. A capacitância parasita também contribui para picos de tensão/corrente no circuito SMPS, mas isso não predomina até que você esteja trabalhando em níveis de kV. Esse pico de tensão específico, devido à indutância parasita, ocupa laços de circuito no seu layout SMPS, o que pode estressar os componentes até o ponto de falha.

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Se você usar uma taxa de transição mais rápida, induzirá uma corrente transitória maior no seu circuito SMPS. Mesmo um traço relativamente curto (alguns cm) em FR4 de espessura padrão terá cerca de 10 nH de indutância parasita. Uma borda de subida rápida no sinal PWM com uma corrente ON de alguns amperes pode induzir um pico de vários volts. Com o tempo, isso estressa os componentes e leva à falha do SMPS.

Com uma frequência de comutação mais alta e taxas de transição PWM mais rápidas, você pode usar componentes menores do que este indutor e estes capacitores.

Superar esse desafio pode ser difícil, pois requer a extração dos parasitas no circuito SMPS. A estratégia típica ao projetar um desses circuitos é realizar simulações a partir do seu esquemático para verificar a funcionalidade, seguido por testes uma vez que você produza um protótipo. Esperançosamente, com as diretrizes delineadas aqui, você pode reduzir o número de protótipos necessários para chegar a um dispositivo funcional.

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