Um conversor DC para DC é basicamente uma fonte de alimentação comutada, projetada para funcionar como um conversor boost para aumentar uma tensão DC de baixa tensão para uma tensão DC mais alta, ou como um conversor buck para reduzir uma tensão mais alta DC para uma tensão DC mais baixa. A conversão de modo comutado garante que a transferência de energia no processo envolva perdas mínimas e a taxa de eficiência seja alta, normalmente acima de 90%.
A alta taxa de eficiência em termos de transferência de energia é a principal vantagem do uso de conversores SMPS (switch mode power supply), em oposição aos reguladores lineares que podem dissipar e desperdiçar grandes quantidades de energia durante o processo de conversão DC para DC.
O principal componente em um SMPS que permite a conversão eficiente de energia é o indutor ou uma bobina baseada em transformador de ferrite, controlada ou comutada por PWM.
A modulação por largura de pulso ou PWM desempenha um papel importante para a comutação do indutor através de um transistor de potência com ciclo de trabalho calculado para que o indutor seja capaz de implementar a conversão DC para DC com máxima eficiência.
Como o PWM se torna o fator crucial em um SMPS, um gerador/controlador PWM ideal, como o SG3524 ou LM3524, torna-se extremamente adequado para fazer esses tipos de projetos de conversores buck e boost.
Neste post vamos discutir detalhadamente sobre como projetar e construir conversores DC para DC usando o IC SG3525.
Em um de nossos posts anteriores, aprendemos de forma abrangente os principais recursos e o funcionamento deste versátil PWM IC SG3524. Nos parágrafos seguintes veremos como esses recursos podem ser explorados de forma prática através de projetos simples de conversores smps.
Circuito conversor de impulso de baixa corrente usando LM3524 IC
O primeiro projeto abaixo mostra um circuito conversor simples de baixa potência que usa os BJTs internos do IC SG3524 para a comutação e, portanto, a corrente máxima é limitada a 80 mA.
Este circuito pode ser usado para converter qualquer baixa tensão (acima de 5 V) para um nível mais alto desejado, através de VO e GND.
No projeto simples do conversor boost SG3524 acima, podemos ver os coletores do driver interno BJTs CA e CB são unidos para forçar a comutação ON/OFF do indutor L1 através de uma taxa PWM adequadamente calculada.
A taxa de PWM é definida configurando as entradas de amplificador de erro SG3524 INV e NI, que é definida internamente como um comparador e cuja saída controla a saída PWM.
Configurando o amplificador de erro para controle PWM
A configuração do amplificador de erro é basicamente implementada calculando os divisores de potencial na entrada INV através do feedback RF resistor e resistor divisor de 5 k associado (R3 e R4 mostrados em verde).
Este potencial de feedback na entrada INV determina o limite de corte do pulso de saída e o ciclo de trabalho PWM. Este limite de limiar é fixado com referência à tensão de amostra definida na entrada NI do amplificador de erro através dos dois resistores de 5 k (R1, R2 mostrados em laranja).
Calculando o resistor de feedback
RF = 5k [(VO / 2.5) -1] = 5000 [(VO / 2.5) -1] esta equação configura o resistor de feedback para o controle PWM, usando os parâmetros VO = tensão de aumento de saída e R3 = 5 k.
Calculando a Frequência do Oscilador
fOSC = 1 / RT *CT esta equação configura a frequência do conversor, que deve estar em torno de 30 a 100 kHz. Frequências mais altas significarão um pequeno indutor L1.
Calculando o indutor
L1 = 2,5 VDENTRO2 (VO – VDENTRO) / fOSC * EUO* VO2 esta equação nos ajuda a determinar a classificação de indutância para o indutor L1, usando os parâmetros VDENTRO = tensão de alimentação de entrada, o VO = tensão de saída, f OSC = frequência, e o IO = corrente de saída
Calculando o capacitor de saída
CO = euO(VO – VDENTRO) / fOSC * ΔVO * VO esta equação nos ajuda a calcular o capacitor de filtro de saída COusando os parâmetros IO = corrente de saída, VO = tensão impulsionada de saída, VDENTRO = tensão de alimentação de entrada, fOSC = frequência, ΔVO = ondulação de saída pico a pico.
Conversor Step Up de Alta Corrente
No circuito conversor DC para DC acima, aprendemos como o SG3524 pode ser configurado como uma corrente ascendente de baixa corrente sem envolver transistores de potência externos.
O próximo diagrama abaixo mostra como o mesmo conceito pode ser atualizado para um circuito conversor de alta corrente DC para DC usando o mesmo circuito SG3524, exceto o estágio de saída onde transistores de alta potência são usados para facilitar a amplificação de corrente necessária.
Este circuito pode ser usado para aumentar ou aumentar qualquer baixa tensão (acima de 5 V) para um nível mais alto desejado, sem limitações no nível de corrente.
Os cálculos serão os mesmos do conceito anterior.
R9 dependerá da especificação de corrente de saída do conversor e pode ser calculado usando a fórmula:
R9 = (VDENTRO – 0,7) * hFE / Max IO
Aqui, V.IN é a tensão de alimentação de entrada, hFE é o ganho de corrente do TIP3055, e IO é a corrente máxima de saída.
Conversor Buck abaixador usando SG3524
O próximo circuito conversor DC para DC usando o SG3524 discutido abaixo é um conversor buck abaixador que permitirá converter qualquer tensão DC de nível mais alto (abaixo de 40 V) em uma tensão de saída DC mais baixa desejada, mas com uma corrente de entrada não superior a 80 mA .
Ou seja, suponha que você esteja tentando fazer um inversor de 48 V, no qual o circuito oscilador possa funcionar apenas com um 15 V DC regulado. Em tal situação, você pode aplicar efetivamente este conceito de conversor buck para reduzir 48 V para 15 V DC para alimentar o circuito oscilador com segurança e permitir que os 48 V sejam usados pelos dispositivos de alimentação do inversor e pelo transformador.
Nesta configuração, encontramos os recursos de pinagem do IC SG3524 configurados da seguinte maneira:
Os emissores EA e EB dos transistores de saída dos CIs são unidos para acionar o indutor L1, enquanto os coletores CA e CB são unidos com a fonte de entrada Vin para fornecer a corrente ao L1 através dos emissores.
O resistor de feedback RF (R4) junto com o resistor divisor de 5 k associado R3 é configurado como antes com o amplificador de erro, enquanto a referência ao amplificador de erro é manipulada usando R1, R2 através da alimentação de +5 V do VR (VREF) pino do CI. Isso cuida do controle PWM.
Conversor abaixador de alta corrente
No exemplo acima, aprendemos a versão de baixa corrente do conversor abaixador CC SG3524, sem envolver dispositivos de alimentação externos.
Para níveis de corrente mais altos, um transistor de comutação de energia externo pode ser adicionado, juntamente com outros componentes atualizados, como o indutor e o diodo L1.
Ou seja, este projeto pode ser usado para converter qualquer tensão abaixo de 40 V para um nível mais baixo desejado, sem nenhuma restrição no nível de corrente de saída.
Um exemplo de design para isso pode ser testemunhado no diagrama a seguir:
Cálculos
As várias equações e cálculos envolvidos neste circuito conversor buck SG3524 podem ser aprendidos conforme abaixo:
Calculando o resistor de feedback
RF = 5k [(VO/2.5) – 1] 5000 [(VO/2.5) – 1]esta equação é usada para fixar o resistor de feedback RF(R4) que controla a saída PWM
Calculando o resistor de detecção de corrente
RCL = Tensão Limite de Corrente / EUO(MAX)esta equação é usada para avaliar o resistor sensor de corrente RCL ou o R7, em relação ao limite máximo de corrente de saída desejado IO(MAX) .
O tensão limite de corrente refere-se à queda de tensão desejada que precisa ser desenvolvida em RCL quando euO(MAX) é atingido. este tensão limite de corrente pode estar em qualquer lugar entre 0,3 V a 1 V, quanto menor, melhor para garantir um R menorCL
Calculando a frequência do oscilador
fOSC = 1 / RT*CT esta equação nos permite configurar a frequência do oscilador do conversor, e esta pode estar em qualquer lugar entre 30 kHz e 100 kHz. Frequências mais altas farão com que o L1 seja menor e vice-versa.
Calculando o indutor
L1 = 2,5 VO (VDENTRO – VO) / EUO*VDENTRO*fOSC esta equação pode ser usada para determinar o valor L1 do indutor que se torna o elemento crucial do conversor abaixador. Nesta equação, VO é a tensão de saída abaixada desejada, VDENTRO é a tensão de alimentação de entrada, IO é a corrente máxima de saída, fOSC é a frequência do oscilador.
O valor de 2,5 é adquirido a partir da tensão de referência formada pelo divisor resistivo usando os dois resistores de 5 k R1, R2 na entrada NI do amplificador de erro SG3524 IC.
Calculando o capacitor de saída
CO = (VDENTRO – VO) VO* T2 / 8 *ΔVO *VDENTRO*L1esta equação facilita a determinação do capacitor de filtro de saída COusando os dados disponíveis, como a fonte de entrada VDENTROtensão de saída reduzida VOtensão de ondulação pico a pico de saída ΔVOa indutância de L1 e o período T2 onde T = 1/fOSC
Controle atual
Neste conversor buck, vemos adicionalmente que as pinagens de detecção de corrente +CL e -CL do SG3524 são configuradas para implementar a limitação de corrente de saída ou para fornecer uma saída de corrente constante para o conversor.
O amplificador operacional de limite de corrente +CL e -CL fornece um recurso rápido para configurar o recurso de limitação de corrente, que substitui todos os outros recursos de controle no IC SG3524. Ou seja, se o recurso de controle de corrente detectar uma situação de sobrecorrente, ele substituirá todos os outros recursos e tentará desligar a saída do IC.
Por que o desligamento por sobrecorrente é importante no conversor Buck
Já sabemos que a eficiência deste conversor buck SG3524 será muito alta, podendo ficar em torno de 95%. Isso implica que, se a tensão de saída for reduzida, a corrente de saída aumentará proporcionalmente.
Como exemplo, suponha que temos VDENTRO = 35 V, e queremos que a saída seja VO = 5V.
Se assumirmos que a corrente de entrada é de 80 mA para o projeto acima, significará uma potência de entrada = 2,8 watts. Isso também significa que, idealmente, a corrente de saída deve ser de 2,8 / 5 = 560 mA.
Considerando a eficiência de 95%, esta corrente ainda estará próxima de 532 mA, que é 7 vezes maior que a corrente de entrada.
Devido a esse aumento de corrente, um recurso de limitação de corrente ou controle de corrente se torna crucial nesses projetos de conversores DC para DC.
Inscrição
A principal aplicação de um conversor DC para DC SG3524 ou LM3524 pode ser encontrada no campo de controladores solares.
Os painéis solares estão disponíveis principalmente com especificações de alta tensão e baixa corrente, enquanto as baterias são fabricadas principalmente com especificações de tensão mais baixa e corrente mais alta (Ah).
Um conversor buck abaixador torna-se altamente adequado para integrar painéis solares de alta tensão e baixa corrente com uma bateria de alta Ah e baixa tensão e garante uma maneira altamente eficiente e conveniente de implementar o carregamento da bateria solar.
Cortesia: Instrumentos Texas
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