A topologia do circuito é a forma como os dispositivos de potência e os componentes electromagnéticos estão ligados num circuito, e a conceção de componentes magnéticos, a conceção de circuitos de compensação em circuito fechado e todas as outras concepções de componentes do circuito dependem da topologia. As topologias mais básicas são Buck (buck), Boost (boost) e Buck/Boost (boost/buck), flyback de terminação única (flyback isolado), forward, push-pull, half-bridge e full-bridge. Mudança. Existem cerca de 14 topologias comuns de fontes de alimentação comutadas, cada uma com as suas próprias caraterísticas e situações aplicáveis. O princípio de seleção depende do facto de se tratar de uma fonte de alimentação de alta ou baixa potência, de uma saída de alta ou baixa tensão e de necessitar do menor número possível de componentes. Para escolher adequadamente uma topologia, é importante estar familiarizado com as vantagens, desvantagens e aplicabilidade das várias topologias. Uma escolha incorrecta pode condenar um projeto de fonte de alimentação ao fracasso desde o início.
Neste artigo, analisaremos em profundidade os diferentes aspectos das topologias buck, boost e buck-boost. E um resumo de 20 topologias básicas de fontes de alimentação comutadas.
Índice
Conversor Buck
A figura 1 é um diagrama esquemático de um conversor buck não-síncrono. Um conversor buck reduz a sua tensão de entrada para uma tensão de saída mais baixa. Quando o interrutor Q1 se liga, a energia é transferida para a saída.
Figura 1: Esquema do conversor buck não-síncrono
A equação 1 calcula o ciclo de funcionamento:
A equação 2 calcula a tensão máxima do transístor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET):
A equação 3 fornece a tensão máxima do díodo:
Onde Vin é a tensão de entrada, Vout é a tensão de saída e Vf é a tensão de avanço do díodo.
Quanto maior for a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída, mais eficiente é um conversor buck em comparação com um regulador linear ou um regulador de baixa queda (LDO).
Embora o conversor buck tenha corrente pulsada na entrada, a corrente de saída é contínua devido ao filtro indutor-capacitor (LC) localizado na saída do conversor. Como resultado, a ondulação de tensão reflectida na entrada será maior em comparação com a ondulação na saída.
Para conversores buck com ciclos de funcionamento pequenos e correntes de saída superiores a 3A, recomenda-se a utilização de rectificadores síncronos. Se a sua fonte de alimentação necessitar de mais de 30 A de corrente de saída, recomenda-se a utilização de fases de alimentação multifásicas ou intercaladas, uma vez que tal minimiza o esforço dos componentes, distribui o calor gerado por várias fases de alimentação e reduz os reflexos na ondulação de entrada do conversor.
O ciclo de funcionamento é limitado quando se utilizam N-FETs porque o condensador de arranque tem de ser recarregado em cada ciclo de comutação. Neste caso, o ciclo de funcionamento máximo situa-se na gama de 95-99%.
Os conversores Buck têm normalmente uma boa dinâmica devido à sua topologia direta. A largura de banda alcançável depende da qualidade do amplificador de erro e da frequência de comutação escolhida.
As figuras 2 a 7 mostram as formas de onda de tensão e corrente dos FETs, díodos e indutores num conversor buck não-síncrono em modo de condução contínua (CCM).
Conversor Boost
Um conversor boost aumenta a sua tensão de entrada para uma tensão de saída maior. Quando o interrutor Q1 não está a conduzir, a energia é transferida para a saída. A Figura 8 é um diagrama esquemático de um conversor boost não-síncrono.
Figura 8: Esquema do conversor boost não-síncrono
A equação 4 calcula o ciclo de funcionamento:
A equação 5 calcula a tensão máxima do MOSFET:
A equação 6 fornece a tensão máxima do díodo:
Onde Vin é a tensão de entrada, Vout é a tensão de saída e Vf é a tensão de avanço do díodo.
Com um conversor boost, é possível ver a corrente de saída pulsada porque o filtro LC está na entrada. Por conseguinte, a corrente de entrada é contínua e a ondulação da tensão de saída é maior do que a ondulação da tensão de entrada.
Ao conceber um conversor boost, é importante saber que, mesmo quando o conversor não está a comutar, existe uma ligação permanente entre a entrada e a saída. Devem ser tomadas precauções para proteger contra possíveis eventos de curto-circuito na saída.
Para correntes de saída superiores a 4A, deve ser utilizado um retificador síncrono para substituir o díodo. Se a fonte de alimentação tiver de fornecer uma corrente de saída superior a 10A, recomenda-se vivamente a utilização de fases de alimentação multifásicas ou intercaladas.
Quando funciona em modo CCM, a dinâmica do conversor de impulso é limitada devido ao meio-plano zero à direita (RHPZ) da sua função de transferência. Uma vez que o RHPZ não pode compensar, a largura de banda alcançável será tipicamente inferior a um quinto a um décimo da frequência RHPZ. Ver Equação 7:
em que Vout é a tensão de saída, D é o ciclo de trabalho, Iout é a corrente de saída e L1 é o indutor do conversor boost.
As figuras 9 a 14 mostram as formas de onda de tensão e corrente dos FETs, díodos e indutores no conversor boost não-síncrono em modo CCM.
Conversor Buck-Boost
Um conversor buck-boost é uma combinação de fases de potência buck e boost que partilham o mesmo indutor. Ver Figura 15.
Figura 15: Esquema do conversor buck-boost de comutação dupla
A topologia buck-boost é prática porque a tensão de entrada pode ser menor, maior ou igual à tensão de saída, exigindo uma potência de saída superior a 50W.
Para potências de saída inferiores a 50W, o conversor de indutor primário de terminação única (SEPIC) é uma opção mais económica porque utiliza menos componentes.
Quando a tensão de entrada é superior à tensão de saída, o conversor buck-boost funciona em modo buck; quando a tensão de entrada é inferior à tensão de saída, funciona em modo boost. Quando o conversor funciona na região de transmissão em que a tensão de entrada se encontra dentro da gama de tensões de saída, existem dois conceitos para lidar com estas situações: ou as fases buck e boost estão activas simultaneamente, ou os ciclos de comutação entre as fases buck e boost são alternados, funcionando cada um deles normalmente a metade da frequência de comutação normal. O segundo conceito pode induzir ruído sub-harmónico na saída e, embora a precisão da tensão de saída possa não ser tão precisa em comparação com o funcionamento normal de buck ou boost, o conversor será mais eficiente em comparação com o primeiro conceito.
A topologia buck-boost tem correntes pulsantes tanto na entrada como na saída porque não existem filtros LC em nenhuma das direcções.
Para um conversor buck-boost, os cálculos dos estágios de potência buck e boost podem ser usados separadamente.
Os conversores Buck-boost com dois comutadores são adequados para gamas de potência entre 50W e 100W (como o LM5118), com retificação síncrona até 400W (como o LM5175). Recomenda-se a utilização de um retificador síncrono com o mesmo limite de corrente que a fase de potência buck e boost não combinada.
É necessário projetar a rede de compensação do conversor buck-boost para a fase de reforço porque o RHPZ limita a largura de banda do regulador.
Fonte: Texas Instruments
Suplemento: Comparação de 20 topologias de fontes de alimentação comutadas
1. Topologias básicas comuns:
■ Buck
■ Impulso
■ Buck-Boost Buck-Boost
Flyback
■ Avançar
Dois transístores para a frente
Push-Pull push-pull
Meia ponte Meia ponte
Ponte completa Ponte completa
■ SEPIC
■C'uk
2. Forma de onda básica de modulação por largura de pulso
Estas topologias estão relacionadas com circuitos de comutação. A forma de onda básica de modulação por largura de pulso é definida como segue:
3. O Buck reduz a tensão arterial
Caraterísticas:
Reduzir a entrada para uma tensão mais baixa
Possivelmente o circuito mais simples
O filtro indutor/capacitor aplaina a onda quadrada após a comutação
A saída é sempre menor ou igual à entrada
A corrente de entrada é descontínua (corte)
Suavização da corrente de saída
4. Impulso
Caraterísticas:
Reforçar a entrada para uma tensão mais elevada
O mesmo que o buck, mas com o indutor, o interrutor e o díodo reorganizados
A saída é sempre maior ou igual à entrada (ignorando a queda de tensão de avanço do díodo)
Suavização da corrente de entrada
A corrente de saída é descontínua (corte)
5. Buck-Boost
Caraterísticas:
Outra disposição de indutores, comutadores e díodos
Combina as desvantagens dos circuitos buck e boost
A corrente de entrada é descontínua (corte)
A corrente de saída também não é contínua (chopping)
A saída é sempre oposta à entrada (note-se a polaridade do condensador), mas a amplitude pode ser menor ou maior do que a entrada
Um conversor "flyback" é, na realidade, uma forma isolada (acoplada a um transformador) de um circuito buck-boost.
6. Retorno
Caraterísticas:
Funciona como um circuito buck-boost, mas o indutor tem dois enrolamentos, actuando como um transformador e um indutor
A saída pode ser positiva ou negativa, determinada pela polaridade da bobina e do díodo.
A tensão de saída pode ser maior ou menor do que a tensão de entrada, determinada pela relação de espiras do transformador.
Esta é a mais simples das topologias de isolamento
Podem ser obtidas várias saídas adicionando enrolamentos e circuitos secundários
7. Avançar
Caraterísticas:
Forma de acoplamento de transformador do circuito abaixador.
Corrente de entrada descontínua, corrente de saída suave.
Devido ao transformador, a saída pode ser maior ou menor do que a entrada e pode ser de qualquer polaridade.
Podem ser obtidas várias saídas adicionando enrolamentos e circuitos secundários.
O núcleo do transformador deve ser desmagnetizado durante cada ciclo de comutação. Uma prática comum é adicionar um enrolamento com o mesmo número de voltas que o enrolamento primário.
A energia armazenada na indutância primária durante a fase de ligação é libertada através do enrolamento adicional e do díodo durante a fase de desligamento.
8. Avanço de dois transístores
Caraterísticas:
Ambos os interruptores funcionam em simultâneo.
Quando o interrutor abre, a energia armazenada no transformador inverte a polaridade do primário, fazendo com que o díodo conduza.
A principal vantagem:
A tensão em cada interrutor nunca excede a tensão de entrada.
Não é necessário repor a pista de enrolamento.
9. Empurrar-Puxar
Caraterísticas:
O interrutor (FET) é acionado fora de fase e a modulação por largura de pulso (PWM) é realizada para regular a tensão de saída.
Boa utilização do núcleo do transformador - a energia é transferida em ambos os meios-ciclos.
Topologia de onda completa, pelo que a frequência de ondulação de saída é o dobro da frequência do transformador.
A tensão aplicada ao FET é o dobro da tensão de entrada.
10. Meia ponte
Caraterísticas:
Topologia muito comum para conversores de alta potência.
O interrutor (FET) é acionado fora de fase e a modulação por largura de pulso (PWM) é realizada para regular a tensão de saída.
Boa utilização do núcleo do transformador - a potência é transferida em ambos os meios-ciclos. Além disso, a taxa de utilização do enrolamento primário é melhor do que a do circuito push-pull.
Topologia de onda completa, pelo que a frequência de ondulação de saída é o dobro da frequência do transformador.
A tensão aplicada ao FET é igual à tensão de entrada.
11. Ponte completa
Caraterísticas:
Topologia mais comum para conversores de alta potência.
Os interruptores (FETs) são acionados em pares diagonais e modulados por largura de impulso (PWM) para regular a tensão de saída.
Boa utilização do núcleo do transformador - a energia é transferida em ambos os meios-ciclos.
Topologia de onda completa, pelo que a frequência de ondulação de saída é o dobro da frequência do transformador.
A tensão aplicada aos FETs é igual à tensão de entrada.
Para uma dada potência, a corrente primária é metade da de uma meia ponte.
12. Conversor SEPIC de indutor primário de terminação única
Caraterísticas:
A tensão de saída pode ser maior ou menor do que a tensão de entrada.
Tal como o circuito boost, a corrente de entrada é suave, mas a corrente de saída é descontínua.
A energia é transferida da entrada para a saída através da capacitância.
São necessários dois indutores.
13. C'uk (patente de Slobodan C'uk)
Caraterísticas:
Inversão da saída
A amplitude da tensão de saída pode ser maior ou menor do que a entrada.
As correntes de entrada e de saída são suaves.
A energia é transferida da entrada para a saída através da capacitância.
São necessários dois indutores.
Os indutores podem ser acoplados para obter uma corrente indutora de ondulação zero.
14. Pormenores do funcionamento do circuito
Em seguida, são explicados os pormenores de funcionamento de várias topologias:
Regulador Buck: condução contínua, condução crítica, condução descontínua
Regulador Boost (condução contínua)
Funcionamento do transformador
Transformador Flyback
Transformador de avanço
15. Regulador Buck-step-down-condução contínua
Caraterísticas:
A corrente do indutor é contínua.
Vout é o valor médio da sua tensão de entrada (V1).
A tensão de saída é a tensão de entrada multiplicada pelo rácio de funcionamento do interrutor (D).
Quando ligado, a corrente do indutor flui da bateria.
A corrente flui através do díodo quando o interrutor está aberto.
Desprezando as perdas no comutador e no indutor, D é independente da corrente de carga.
As caraterísticas dos reguladores buck e dos seus circuitos derivados são:
A corrente de entrada é descontínua (corte) e a corrente de saída é contínua (suavização).
16. Regulador Buck-step-down - condutividade crítica
A corrente do indutor ainda é contínua, mas "chega" a zero quando o interrutor é ligado novamente. Isto é chamado de "condução crítica". A tensão de saída ainda é igual à tensão de entrada vezes D.
17. Regulador Buck-step-down-condução contínua
Neste caso, a corrente no indutor é zero durante uma parte de cada ciclo.
A tensão de saída continua a ser (sempre) o valor médio de v1.
A tensão de saída não é a tensão de entrada vezes o rácio de funcionamento do interrutor (D).
Quando a corrente de carga é inferior ao valor crítico, D varia com a corrente de carga (enquanto Vout permanece constante).
18. Regulador de impulso
A tensão de saída é sempre superior (ou igual) à tensão de entrada.
A corrente de entrada é contínua, a corrente de saída é descontínua (ao contrário de um regulador buck).
A relação entre a tensão de saída e o rácio de serviço (D) não é tão simples como num regulador buck. No caso de condução contínua:
Neste exemplo, Vin = 5, Vout = 15 e D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Funcionamento de transformadores (incluindo o papel da indutância primária)
O transformador é considerado um transformador ideal com a sua indutância primária (de magnetização) ligada em paralelo com o primário.
20. Transformador de retorno
Aqui a indutância primária é baixa e é utilizada para determinar a corrente de pico e a energia armazenada. Quando o interrutor primário abre, a energia é transferida para o secundário.
21. Transformador de conversão para a frente
A indutância primária é elevada porque não há necessidade de armazenar energia.
A corrente de magnetização (i1) flui para o "indutor de magnetização", provocando a desmagnetização do núcleo (inversão do sentido da tensão) após a abertura do interrutor primário.
22. Resumo
As topologias de circuito mais comuns atualmente utilizadas na conversão de fontes de alimentação comutadas são aqui revistas.
Existem muitas mais topologias, mas na sua maioria combinações ou variações das topologias aqui descritas.
Cada topologia implica compromissos de conceção únicos:
1) A tensão aplicada ao interrutor
2) Corte e suavização da corrente de entrada e de saída
3) Utilização do enrolamento
A escolha da melhor topologia requer investigação sobre:
1) Gama de tensões de entrada e saída
2) Gama atual
3) Relação custo/desempenho, tamanho/peso
