Como implementar rapidamente conversores Buck para automação de fábrica, 5G, e o IoT

Os conversores Buck CC/CC são amplamente utilizados em muitos sistemas eletrônicos, tais como estações de base 5G, equipamentos de automação de fábrica (FA) e dispositivos de Internet das Coisas (IoT) para baixar eficientemente as altas tensões. Por exemplo, uma tensão como 12 volts de corrente contínua (V_CC) ou 48 V_CC de uma bateria ou de um barramento de distribuição de energia muitas vezes precisa ser convertida para uma tensão inferior para alimentar CIs digitais, sensores analógicos, seções de radiofrequência (RF) e dispositivos de interface.

Embora os projetistas possam implementar um conversor buck discreto e otimizá-lo para um projeto específico em termos de características de desempenho e layout de placas, existem desafios para adotar esta abordagem. Estes incluem a seleção do MOSFET de potência apropriado, o projeto da rede de controle e realimentação, o projeto do indutor e a escolha entre uma topologia assíncrona ou síncrona. Além disso, o projeto precisa incluir numerosas funções de proteção, proporcionar a máxima eficiência e um tamanho pequeno da solução. Ao mesmo tempo, os projetistas estão sendo pressionados a encurtar o tempo de projeto e reduzir os custos, resultando na necessidade de encontrar alternativas mais adequadas de conversores de energia.

Em vez da rota discreta, os projetistas podem recorrer a CIs de fonte de alimentação integrados que combinam MOSFETs com os circuitos necessários de controle e realimentação, já otimizados para conversores buck de alta eficiência.

Este artigo revisa os compromissos de desempenho entre conversores buck CC/CC assíncronos e síncronos e como eles mapeiam as necessidades de aplicações específicas. Ele apresenta um exemplo de CI buck assíncrono integrado e uma solução de CI com conversor buck síncrono da ROHM Semiconductor e discute considerações de implementação, incluindo a seleção do indutor e capacitor de saída e o layout da placa de circuito impresso. As placas de avaliação estão incluídas na discussão para ajudar os projetistas a começar a trabalhar.

Por que usar um conversor buck?

Em aplicações que necessitam de alguns amperes (A) de corrente, um conversor buck fornece uma alternativa mais eficiente a um regulador linear. Um regulador linear pode ter uma eficiência de cerca de 60%, enquanto que um conversor buck assíncrono pode ser 85% mais eficiente.

Um conversor buck assíncrono básico consiste de um comutador MOSFET, um diodo Schottky, um capacitor, um indutor e um circuito controlador/amplificador (não mostrado) para ligar e desligar o MOSFET (Figura 1). Um conversor buck pega a tensão de entrada CC (V_IN) e a converte para uma corrente CA pulsante que é retificada pelo diodo, que é então filtrada pelo indutor e capacitor para produzir uma tensão de saída CC regulada (V_O). Esta topologia recebe seu nome pelo fato de que a tensão através do indutor se opõe a tensão de entrada.

Figura 1: Topologia do conversor buck assíncrono, não incluindo o circuito controlador/amplificador do MOSFET. (Fonte da imagem: ROHM Semicondutor)

O circuito controlador/amplificador detecta a tensão de saída e periodicamente liga e desliga o MOSFET para manter a tensão de saída no nível desejado. Como a carga varia, o controlador/amplificador varia a quantidade de tempo que o MOSFET está ligado para fornecer mais ou menos corrente à saída conforme necessário para manter (regular) a tensão de saída. A porcentagem de tempo que o MOSFET está ligado durante um ciclo completo de ligado/desligado é chamada de ciclo de trabalho. Como tal, ciclos de trabalho mais altos suportam correntes de carga mais altas.

Bucks síncronos

Em aplicações que necessitam de maior eficiência do que é possível com um buck assíncrono, os projetistas podem recorrer a um conversor buck síncrono onde o diodo Schottky é substituído por uma retificação síncrona de MOSFET (Figura 2). O MOSFET síncrono (S₂) tem uma resistência "ON" significativamente menor do que a resistência do Schottky, resultando em menores perdas e maior eficiência, mas com um custo maior.

Um desafio é que agora existem dois MOSFETs que precisam ser ligados e desligados em coordenação. Se ambos os MOSFETs estiverem ligados ao mesmo tempo, ele cria um curto-circuito conectando a tensão de entrada diretamente ao ponto de terra, danificando ou destruindo o conversor. Impedir que isso aconteça aumenta a complexidade do circuito de controle, aumentando ainda mais o custo e o tempo de projeto em comparação com um projeto assíncrono.

Este circuito de controle em um buck síncrono incorpora 'tempo morto' entre as transições de chaveamento onde ambos os comutadores estão desligados por um período muito curto para evitar a condução simultânea. Felizmente para os projetistas, estão disponíveis CIs de fonte de alimentação que integram os MOSFETs de potência e os circuitos de controle necessários para produzir conversores buck.

Figura 2: Topologia do conversor buck síncrono mostrando a substituição do diodo Schottky por um MOSFET (S₂) de retificação síncrona. (Fonte da imagem: ROHM Semicondutor)

CIs de conversor buck integrado

Exemplos de CIs de conversor buck altamente integrado são os dispositivos BD9G500EFJ-LA (assíncronos) e BD9F500QUZ (síncronos) da ROHM, que vêm em um invólucro HTSOP-J8 e VMMP16LZ3030, respectivamente (Figura 3). O BD9G500EFJ-LA tem uma tensão suportável de 80 volts e se destina ao uso com barramentos de alimentação de 48 V encontrados em estações de base 5G, servidores e aplicações similares. Também é adequado para sistemas com barramentos de alimentação de 60 V como bicicletas elétricas, ferramentas elétricas, FA e dispositivos IoT. Pode fornecer até 5 A de corrente de saída e tem uma eficiência de conversão de 85% sobre sua faixa de corrente de saída de 2 a 5 A. As características embutidas incluem partida suave, sobretensão, sobrecorrente, desligamento térmico e proteção de bloqueio por subtensão.

Figura 3: O CI de conversor buck assíncrono BD9G500EFJ-LA vem em um invólucro HTSOP-J8 e o CI de buck síncrono BD9F500QUZ vem em um invólucro VMMP16LZ3030. (Fonte da imagem: ROHM Semicondutor)

Uma vez que o CI de buck síncrono de fonte de alimentação BD9F500QUZ tem uma tensão de ruptura de 39 volts, os projetistas de sistemas com barramentos de alimentação de 24 V podem utilizá-lo para reduzir os custos do sistema, reduzindo a área de montagem e a quantidade de componentes em sistemas FA, tais como controladores lógicos programáveis (CLPs) e inversores. O BD9F500QUZ reduz o tamanho da solução em cerca de 60%, e a frequência máxima de chaveamento de 2,2 MHz permite o uso de um pequeno indutor de 1,5 microhenry (μH). Este buck síncrono opera com uma eficiência de até 90% com uma corrente de saída de 3 A.

A combinação de alta eficiência e encapsulamento termicamente eficiente significa que sua temperatura de operação está em torno de 60 graus Celsius (°C) sem a necessidade de qualquer dissipação térmica, economizando assim espaço, melhorando a confiabilidade e baixando os custos. As características embutidas incluem a função de descarga do capacitor de saída, sobretensão, sobrecorrente, curto-circuito, desligamento térmico e proteção de bloqueio por subtensão.

Seleção do indutor e capacitor

Enquanto o BD9G500EFJ-LA e o BD9F500QUZ têm MOSFETs de potência integrados, os projetistas ainda precisam selecionar o indutor e o capacitor de saída ideal, que estão interrelacionados. Por exemplo, o valor ideal de indutância é importante para obter os menores tamanhos combinados para o indutor e capacitor de saída, bem como uma ondulação de tensão de saída suficientemente baixa. Os requisitos de transientes também são importantes e variam de sistema para sistema. A amplitude transitória da carga, as limitações de desvio de tensão e a impedância do capacitor, todos afetam o desempenho de transiente e a seleção do capacitor.

Os projetistas têm várias tecnologias de capacitores disponíveis, cada uma das quais oferece um conjunto diferente de compensações de custo e desempenho. Normalmente, capacitores multicamadas de cerâmica (MLCCs) são usados para a capacitância de saída em conversores buck, mas alguns projetos podem se beneficiar do uso de capacitores eletrolíticos de alumínio ou capacitores eletrolíticos híbridos de polímero condutivo.

A ROHM simplificou o processo de seleção de indutores e capacitores, oferecendo aos projetistas circuitos de exemplo de aplicação completos nas fichas técnicas para estes CIs de fonte de alimentação, incluindo:

• Tensão de entrada, tensão de saída, frequência de chaveamento e corrente de saída
• Esquema do circuito
• Lista de materiais (BOM) sugerida com valores, números de peças e fabricantes
• Formas de onda operacionais

Três circuitos de aplicação detalhados para o BD9G500EFJ-LA, todos com uma frequência de chaveamento de 200 quilohertz (kHz), incluem:

• 7 a 48 V_CC de entrada com uma saída de 5,0 V_CC a 5 A
• 7 a 36 V_CC entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 5 A
• 18 a 60 V_CC de entrada com uma saída de 12 V_CC e 5 A

Sete circuitos de aplicação detalhados para o BD9F500QUZ incluem:

• 12 a 24 V_CC de entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 1 MHz
• 12 a 24 V_CC de entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 600 kHz
• 5 V_CC de entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 1 MHz
• 5 V_CC de entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 600 kHz
• 12 V_CC de entrada com uma saída de 1,0 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 1 MHz
• 12 V_CC de entrada com uma saída de 1,0 V_CC e 5 A, com uma frequência de chaveamento de 600 kHz
• 12 V_CC de entrada com uma saída de 3,3 V_CC e 3 A, com uma frequência de chaveamento de 2,2 MHz

Além disso, a ROHM oferece aos projetistas uma nota de aplicação sobre, "Tipos de capacitores utilizados para suavizar a saída de reguladores chaveados e suas precauções".

As placas de avaliação aceleram o processo de projeto

Para acelerar ainda mais o processo de projeto, a ROHM oferece as placas de avaliação BD9G500EFJ-EVK-001 e BD9F500QUZ-EVK-001 para os respectivos BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ (Figura 4).

Figura 4: As placas de avaliação BD9G500EFJ-EVK-001 (esquerda) e BD9F500QUZ-EVK-001 (direita) para os CIs de conversor buck BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ, respectivamente, ajudam os projetistas a garantir que os dispositivos atendam rapidamente às suas exigências. (Fonte da imagem: ROHM Semicondutor)

O BD9G500EFJ-EVK-001 produz uma saída de 5 V_CC a partir de uma entrada de 48 V_CC. A faixa de tensão de entrada do BD9G500EFJ-LA é de 7 a 76 V_CC, e sua tensão de saída é configurável de 1 V_CC a 0,97 x V_IN com resistores externos. Um resistor externo também pode ser usado para definir a frequência de operação entre 100 e 650 kHz.

A placa de avaliação BD9F500QUZ-EVK-001 produz uma saída de 1 V_CC a partir de uma entrada de 12 V_CC. A faixa de tensão de entrada do BD9F500QUZ é de 4,5 a 36 V_CC, e sua tensão de saída é configurável de 0,6 a 14 V_CC com resistores externos. Este CI de fonte de alimentação tem três frequências de chaveamento selecionáveis; 600 kHz, 1 MHz e 2,2 MHz.

Considerações sobre o layout da placa

As considerações gerais sobre o layout da placa de circuito impresso ao utilizar o BD9G500EFJ-LA e o BD9F500QUZ incluem:

1. O diodo de supressão e o capacitor de entrada devem estar na mesma camada da placa de circuito impresso como o terminal do CI e o mais próximo possível do CI.
2. As vias térmicas devem ser incluídas sempre que possível para melhorar a dissipação de calor.
3. Coloque o indutor e o capacitor de saída o mais próximo possível do CI.
4. Mantenha as trilhas do circuito de retorno longe de fontes de ruído, tais como o indutor e o diodo.

Detalhes mais específicos de layout podem ser encontrados nas fichas técnicas dos respectivos dispositivos e na nota de aplicação da ROHM sobre "Técnicas de Layout de PCB do Conversor Buck".

Conclusão

Como mostrado, conversores buck assíncronos e síncronos podem ser usados para proporcionar maior eficiência de conversão quando comparados com reguladores lineares em uma variedade de aplicações de FA, IoT e 5G. Embora seja possível projetar conversores buck personalizados para um determinado projeto, é uma tarefa complexa e demorada.

Em vez disso, os projetistas podem optar por CIs de fonte de alimentação que integram o MOSFET de potência com o circuito de controle e amplificação para produzir soluções compactas e econômicas. Além disso, uma variedade de ferramentas está disponível aos projetistas para acelerar o tempo de colocação no mercado, incluindo notas de aplicação sobre seleção de capacitores e layout de placas de circuito impresso, circuitos de exemplo de aplicação detalhados e placas de avaliação.

Leitura recomendada

1. Fundamentos: Compreenda as características dos tipos de capacitores para utilizá-los de forma adequada e segura
2. Como aplicar corretamente os dispositivos elétricos corretos para atender às necessidades das fontes de alimentação industriais