Conversores Boost

Conversores Boost (ART247)

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Fontes chaveadas, conversores DC/DC e outros circuitos de alimentação utilizam tecnologias diferentes para alterar uma tensão de entrada e com isso obter um valor diferente de tensão de saída com o máximo de estabilidade e eficiência. Nas edições anteriores falamos dos conversores do tipo "charge pump" com especial destaque a linha de componentes da Texas Instruments destinado a este tipo de aplicação. Nesta edição, continuamos com a série falando agora dos conversores do tipo "boost", analisando seu funcionamento e mostrando suas vantagens. Nossa série continuará com aplicações práticas que podem ser de grande utilidade para o projetistas, descrevendo um kit de desenvolvimento na próxima edição.

Os reguladores chaveados possuem uma eficiência que não pode ser encontrada em qualquer outra configuração quando se trata de projeto de fonte de alimentação.

Em outros artigos tratamos dos circuitos "charge pump" que possibilitam a elaboração de alguns circuitos bastante eficientes nesta categoria de aplicações. No entanto eles não são únicos o que nos leva a dar aos projetistas as outras configurações existentes.

Basicamente, existem quatro tipos de conversores DC/DC mais usados nos projetos práticos:

Boost - que fornece uma tensão de saída maior do que a aplicada na entrada

Buck - que fornece uma tensão de saída menor do que a aplicada na entrada

Buck-boost (inversor) em que a tensão de saída tem polaridade oposta a aplicada na entrada.

Fly-back em que temos diversas tensões de saída que podem ser maiores ou menores do que a tensão de entrada.

Na figura 1 mostramos de forma simplificada os quatro tipos de circuitos.

Este artigo vai se dedicar especificamente aos conversores do tipo "boost".

O Indutor

O elemento básico dos conversores do tipo boost é um indutor. Assim, nada melhor do que começarmos nossas explicações pela ação deste componente no circuito.

Ao estabelecermos uma tensão num indutor, de modo que uma corrente possa circular através deste componente, a sua intensidade vai variar com o tempo.

Esta corrente vai ser dada pela expressão:

V = L (di/dt)

O comportamento elétrico de um indutor quando aplicamos tensões que variam tem algumas características interessantes.

A primeira é que só aparece tensão nos terminais do indutor, se aplicarmos neste componente uma tensão que varia com o tempo.

A segunda é que o indutor não responde às variações da tensão instantaneamente. Ele precisa de um tempo para isso.

Finalmente, quanto mais rápida for a variação da corrente num indutor maior será a tensão que aparece nos seus terminais.

Este comportamento dos indutores pode ser melhor visualizado na figura 2.

Veja que o parâmetro mais importante neste comportamento do indutor é di/dt que mede como a corrente varia com o tempo: (é a taxa da variação da corrente).

Veja que a rampa linear no indutor só ocorre quando a se aplica uma tensão constante neste elemento.

Estes fatos são de grande importância para se entender com o funcionam os circuitos do tipo "boost".

De uma maneira mais simples de entender, podemos dizer que da mesma forma que um capacitor armazena energia no campo elétrico entre as armaduras, um indutor armazena energia no campo magnético criado pela corrente, conforme mostra a figura 3.

Quando a tensão é aplicada num indutor as linhas de força se expandem armazenando energia. Quando a tensão deixa de ser aplicada, o campo se contrai com as linhas de força cortando as espiras do indutor e com isso induzindo uma tensão.

Esta tensão será tanto maior quanto mais rápida for a contração do campo o que permite usar este componente para gerar tensões maiores do que a aplicada.

Esta tecnologia é justamente usada nos conversores boost, onde o indutor funciona como uma espécie de reservatório de energia que ainda pode aumentar o valor da tensão aplicada.

Um Conversor Boost na Prática

O projeto das etapas elevadoras de tensão em fontes chaveadas, conversores DC/DC e outras aplicações tem diversos elementos críticos para os quais os projetistas devem estar atentos.

Vamos analisar de maneira rápida como funciona um circuito típico e quais os problemas para os quais o projetista deve estar atento.

Na figura 4 temos o circuito típico de um conversor  boost.

Conforme podemos ver, o elemento básico desta etapa é um transistor de efeito de campo de potência de canal N que faz o chaveamento da corrente principal pela carga e pelo indutor.

Podem ser usados outros componentes como, por exemplo, MOSFETs de canal P ou bipolares. No entanto a preferência pelos MOSFETs de canal N está na sua menor resistência entre o dreno e a fonte quando em condução (Rds(on)) que permite controlar correntes mais intensas com menor dissipação de calor.

Na operação, o transistor Q1 é continuamente chaveado, ligando e desligando pela ação do circuito de controle.

Esta ação faz com que seja criada uma corrente pulsante através do diodo e do diodo CR1. Apesar do indutor estar conectado ao capacitor C somente quando o diodo conduz, uma filtragem L/C é obtida de forma efetiva.

A função deste filtro é filtrar o trem de pulsos obtendo assim uma tensão contínua na carga (Vo).

Modos de Operação

No modo contínuo de condução a tensão de saída depende do ciclo ativo e da tensão entrada. Neste circuito as tensões de entrada, saída, corrente de carga e ciclo ativo não devem variar.

Neste modo de operação, a etapa de elevação de tensão (boost) assume dois estados em cada ciclo do sinal de comutação. Estes ciclos são mostrados na figura 5.

No estado ON, o transistor Q1 conduz e CR1 está desligado. No estado OFF o transistor está cortado e CR1 conduzindo.

A representação simplificada da figura 5 possibilita a visualização das correntes nos dois estados.

É importante observar as formas de onda nos diversos elementos deste circuito neste modo de operação. Estas formas de onda são mostradas na figura 6.

Veja que sempre existe uma corrente circulando pelo indutor.

No modo descontínuo, observando as formas de onda mostradas na figura 7.

Para isso consideramos o que ocorre quando a corrente de carga diminui e o modo de condução muda de contínuo para descontínuo.

Quando a corrente de carga cai abaixo de um certo valor, durante uma parte do ciclo de comutação a corrente pelo indutor será zero. A corrente permanecerá nula até o início do ciclo seguinte.

Uma etapa de potência de um conversor "boost" operando nesta modalidade terá três estados diferentes em cada ciclo do sinal de controle, diferentemente de apenas dois estados do modo contínuo.

Para o projetista é importante saber que a resposta de freqüência de uma etapa deste tipo é diferente quando ele opera num ou noutro modo. Isso deve ser levado em conta nos projetos.

Aplicações Práticas

Nas aplicações práticas as etapas de elevação de tensão podem operar tanto no modo contínuo como no modo descontínuo dependendo apenas de como a corrente de carga varia. Assim a escolha do modo de funcionamento depende da aplicação que se tem em mente e ela define os valores dos componentes que devem ser usados..

Alguns componentes deste circuito se tornam críticos, por este motivo, como por exemplo a indutância.

No modo contínuo as etapas normalmente são projetadas para operar com correntes de carga que correspondam a 5 ou 10% da carga total máxima. A faixa de tensões de entrada, tensões de saída e correntes de carga são definidas pelas especificações potência desta etapa.

Existem então procedimentos que devem ser observados para se calcular o valor mínimo que o indutor deve ter para manter a etapa funcionando no modo contínuo.

A seleção do indutor admite muitas opções que vão desde o próprio enrolamento pelo projetista até a utilização de tipos comerciais.

Especial atenção deve ser dada ao tipo de núcleo usado, que pode ser responsável por interferências, conforme mostra a figura 8.

Os tipos de "slug" são os mais baratos mas que têm maior nível de interferências. Os tipos toroidais, por outro lado apresentam menor nível de irradiação de ruído mas são mais caros.

Temos também os tipos de núcleo R-I ou E-E que mantém baixo nível de radiação de ruídos e os tipos "pot core" que  possui excelente características de ruído, já que o fluxo magnético fica contido a esta núcleo.

Evidentemente a escolha da tecnologia usada para o indutor está ligada a diversos fatores como a corrente que deve ser conduzida, a potência do estágio, a presença de circuitos sensíveis nas proximidades, custo e outros.

A capacitância de saída é outro ponto para o qual o projetista deve estar atento.

A função do capacitor de saída nas fontes chaveadas com etapas do tipo "boost" é armazenar energia no campo elétrico entre as armaduras.

Esta energia é entregue ao circuito de saída com a finalidade de manter assim a tensão constante na carga.

O principal fator que determina o valor do capacitor de saída é o ripple que deve ser mantido pelas especificações do projeto. Juntamente com o indutor, o capacitor formam um filtro e este filtro deve ter características que mantenha o ripple de saída dentro dos limites exigidos pelo projeto.

O terceiro elemento que deve ser levado em conta no projeto é a corrente de carga.

Na prática devem ser usados capacitores com baixa ESR (equivalent series resistance) e ESL (Equivalent series inductance).

Para aplicações comerciais de baixo custo podem ser usados capacitores de três tecnologias: alumínio de baixa impedância, semicondutor  orgânico e tântalo. Os capacitores eletrolíticos de alumínio são os mais baratos mas possuem maior ESR do que os outros.

Os tipos eletrolíticos semicondutores orgânicos se tornaram uma opção interessante nos últimos anos, como os da série OS-COM da Sanyo reunindo baixa ESR e alta estabilidade na faixa de temperatura além de grande capacitância em dimensões reduzidas. Finalmente temos os capacitores de tântalo sólido para montagem em superfície.

O diodo também é um elemento importante no projeto.

Este componente é polarizado de modo a operar com uma condução alternada na velocidade de chaveamento do circuito.

Os diodos usados devem ser de comutação rápida, devem ter uma tensão de ruptura de acordo com o projeto, alta capacidade de corrente e baixa queda de tensão quando polarizados no sentido direto.

A melhor solução para a os projetos de etapas de baixas tensões é um diodo Schottky.

Circuitos Práticos

A Texas Instruments  através de sua empresa Unitrode Products possui uma linha de conversores tipo boost que operando a partir de tensões de 1 V podem obter na saída tensões na faixa de 3,3 V a 5 V em diversas configurações práticas.

A família UCC3941 consiste em conversores do tipo "boost" (elevadores de tensão) de baixa tensão que utilizam apenas um indutor e que são otimizados para operar com uma ou duas pilhas alcalinas, aumentando a tensão destas fontes para 3,3 V ou 5 V de saída, ou uma tensão ajustável (dependendo do tipo) com potências de até 500 mW.

A família UCC391 pode ainda fornecer uma saída auxiliar de 9 V com potência de até 100 mW.

A partida sob plena carga pode ser feita com tensões tão baixas como 0,8 V e um máximo garantido de 1 V, e ainda operar com tensões de até 0,4 V se em operação, maximizando a utilização da bateria.

Dentre as possíveis aplicações para esta família de componentes, estão os pagers e assistentes digitais pessoais, que exigem alta eficiência na conversão de tensões.

Os circuitos desta família também podem ser usados com outras fontes de alimentação tais como baterias de Nicad e NiMH.

Na figura 9 temos o diagrama de blocos internos para os componentes desta família já com os componentes externos ligados numa aplicação típica.

Todos os componentes podem ser encontrados em invólucros de 8 pinos do tipo D ou N.

Os componentes desta família são os seguintes:

UCC2941D-3 - 3,3 V - Invólucro SOIC D- -40 a 85oC

UCC3941D-3 - 3,3 V - Invólucro SOIC D - 0 a 70 oC

UCC2941D-5 - 5 V - Invólucro SOIC D -  -40 a 85oC

UCC3941D-5 - 5 V - Invólucro SOIC D -  0 a 70 oC

UCC2941-D - ADJ - Invólucro SOIC D - ajustável de 1,3 a 6 V - -40 a 85 oC

UCC3941-D - ADJ - Invólucro SOIC D - ajustável de 1,3 V a 6V -  -40 a 85 oC

UCC2941N-3 - 3,3 V - Invólucro DIP N - -40 a 85 oC

UCC3941N-3 - 3,3 V - Invólucro DIP N  - 0 a 70 oC

UCC2941N -5 - 5 V - Invólucro DIP N - -40 a 85 oC

UCC3941N-5 - 5 V - Invólucro DIP N - 0 a 70 oC

UCC2941N-ADJ - Invólucro DIP N - Ajustável de 1,3 a 6 V - -40 a 85 oC

UCC3941-ADJ - Invólucro DIP N - AJustável de 1,3 a 6 V - 0 a 70 oC

Características Gerais Para o UCC2941-3

Parâmetro - Valor

Vcc (max) - 3,8 V

Vcc (min) - 0,8 V

Preset Vout (V) - 3,3 V

Vout (max) - 3,3 V

Vout (min) - 3,3 V

Vout - Precisão  - 3 %

Corrente de Saída - 200 mA

Eficiência Típica (max) - 85 %

Iq (tip) - 0,08 mA

Current de Shutdown (tip) - 8 uA

Frequência de Chaveamento (max) - 250 kHz

Destaques da Família ICC3941:

* Tensão de entrada de 1 V com partida assegurada sob carga total ou alimentação principal até de 0,4 V

* Faixa de tensões de entrada de 1 V até Vout + 0,5 V

* Potência de saída de 500 mW com tensões de bateria tão baixas como 0,8 V

* Saída secundária de 9 V com um único indutor

* Potência de saída limitada com ajuste externo

* Saída totalmente desconectada em condição de shutdown

* Controle adaptativo do modo de corrente para eficiência ótima

* Corrente de alimentação em shutdown de 0,8 uA

Conclusão

A Texas Instruments disponibiliza um kit de desenvolvimento e é deles que falaremos na próxima edição.

Para saber mais, os leitores que dominam o diodo inglês podem fazer o download do documento "Understanding Boost Power Stages in Swiitchmode Power Supplies - SLVA061 - no site da Texas Instruments - http://www.ti.com