Torne a eficiência importante com o correto regulador chaveado de tensão

A eficiência é fundamental quando se trata de escolher o regulador chaveado de tensão correto. A capacidade de fornecer energia confiável num formato pequeno é necessária para os dispositivos miniaturizados de hoje em dia.

Um requisito fundamental do projeto eletrônico é a capacidade de gerar tensões estáveis capazes de fornecer quantidades substanciais de corrente. Os reguladores chaveados são um componente essencial para gerar tensões de alimentação estáveis e para traduzir tensões para cima ou para baixo.

Os reguladores chaveados de tensão podem ser designados de várias formas: comutador ou chave, fonte de alimentação chaveada (SMPS) e reguladores ou conversores CC/CC. A popularidade continua a crescer devido às vantagens que oferecem para requisitos mais eficientes de conversão de alta potência, à flexibilidade de uma saída estável a partir de uma única fonte de tensão de entrada e à capacidade de acomodar múltiplas tensões de saída de diferentes polaridades.

Os tipos mais comuns de conversores de comutação são:

• Boost, a tensão de entrada é aumentada e condicionada para a saída
• Buck, a tensão de entrada é reduzida e condicionada para a saída
• Buck-boost, a tensão de entrada é aumentada ou diminuída com opção de polaridade negativa
• Flyback, um tipo de buck-boost que também proporciona isolação galvânica

Reguladores de tensão lineares fixos e ajustáveis

Durante muitos anos, os projetos de fontes de alimentação basearam-se em reguladores de tensão lineares, que provaram ser excelentes no fornecimento de uma saída de tensão fixa contínua. Existem outros reguladores de tensão lineares, como o LM317, que são ajustáveis.

Os tipos populares de reguladores de tensão de saída fixa e linear são as séries de tensão de saída positiva 78xx e de saída negativa 79xx. Estes reguladores de tensão produzem uma saída estável que varia entre 5 V a 24 V.

Os reguladores de tensão lineares não são fontes de alimentação chaveadas. Os reguladores de tensão têm a vantagem da simplicidade e do baixo custo. Normalmente, têm uma potência inferior a 10 W, tendem a ser menos eficientes, gerando assim calor, e têm caraterísticas de pouco ruído e pouca ondulação. Os reguladores lineares só têm regulação abaixadora de tensão, ao passo que um SMPS pode fornecer regulação elevadora e abaixadora e polaridade negativa da tensão de entrada, utilizando componentes buck, buck-boost e boost.

Sistemas de fonte de alimentação chaveada

A maioria dos televisores modernos, computadores pessoais, acionamentos de motores CC e amplificadores de potência requerem um SMPS avançado e eficiente, que utiliza técnicas de chaveamento de semicondutores em vez de métodos lineares padrão para fornecer a tensão de saída. O conversor de comutação básico é constituído por um estágio de chaveamento de potência e um circuito de controle.

Ao ter uma menor dissipação de potência, a SMPS tem a vantagem de uma maior eficiência ao comutar internamente um transístor (ou MOSFET de potência) entre os estados saturado "LIGADO" e de corte "DESLIGADO".

Reguladores de chaveamento buck

A série BD9x da ROHM Semiconductor oferece aos projetistas conversores buck CC/CC de elevada eficiência, uma opção compacta para aplicações que requerem uma conversão de energia eficiente, incluindo projetos automotivos e industriais. A série BD9x apresenta um design simplificado com um poucos componentes que poupa espaço e agiliza o processo de fabricação. A sua baixa corrente de espera permite prolongar a duração da bateria em aplicações portáteis, mantendo a tensão de saída estável para um desempenho confiável, como o regulador de chaveamento Buck BD9A201FP4-LBZTL (Figura 1).

Figura 1: O regulador de chaveamento Buck BD9A201FP4-LBZTL fornece uma tensão de saída estável. (Fonte da imagem: ROHM Semiconductor)

O regulador de chaveamento Buck BD9E105FP4-ZTL (Figura 2), que possui uma saída única e ajustável, é um regulador de corrente contínua, especificamente concebido para necessidades de baixa tensão. Com MOSFETs de potência de baixa resistência de condução e um único conversor CC/CC buck síncrono, o regulador BD9E105FP4-ZTL fornece eficiência máxima em condições de carga leve. É ideal para dispositivos e equipamentos que exigem um consumo mínimo de energia em modo de espera.

Com uma boa resposta a transientes, ocupa pouco espaço na PCI, proporcionando uma elevada densidade de potência num invólucro pequeno, perfeito para produtos de eletrodomésticos como geladeiras e aparelhos de ar condicionado, dispositivos de telecomunicações, adaptadores e equipamento de alimentação secundária.

Figura 2: As necessidades de tensão mais baixa podem ser satisfeitas com um regulador de chaveamento buck BD9E105FP4-ZTL. (Fonte da imagem: ROHM Semiconductor)

Reguladores de chaveamento Boost

O regulador de chaveamento boost MP3414AGJ-Z tem uma saída ajustável e o seu perfil fino é propício para uma aplicação de montagem em superfície onde o espaço é limitado. É capaz de funcionar facilmente numa faixa de temperaturas de -40°C a +125°C e pode começar a funcionar a partir de uma tensão de entrada tão baixa como 1,8 V, fornecendo ao mesmo tempo proteção contra corrente de irrupção e contra curto-circuito de saída (SCP).

A capacidade de funcionar em modo de corrente síncrona, mantendo uma elevada eficiência, é necessária quando se pretende um conversor elevador com desconexão de saída. Além disso, não há necessidade de um diodo Schottky externo, uma vez que a eficiência foi melhorada com um retificador síncrono de canal P integrado. O recurso de desconexão de saída, quando o MP3414A é desligado, permite uma descarga completa enquanto consome uma corrente de alimentação inferior a 1 μA no modo de desligamento.

Menor é melhor

Menos componentes externos podem ser possíveis, utilizando o MP3414A. Utiliza uma frequência de chaveamento de 1 MHz para permitir componentes externos menores, enquanto a sua caraterística de partida suave minimiza a quantidade de peças externas. Pode suportar amplas faixas de carga de corrente. Além disso, o MOSFET de potência integrado suporta uma corrente de chaveamento de pico superior a 3 A com uma saída que atinge os 5,5 V.

Esta versatilidade e potência abrangente num tamanho compacto é ideal para aplicações como produtos de bateria de Li em célula única, incluindo formatos alcalinos de duas e três células, NiMH ou NiCd. Periféricos sem fios, acessórios para jogos, dispositivos médicos pessoais e leitores multimídia portáteis são beneficiados por um conversor elevador como o MP3414A.

A tecnologia está evoluindo rapidamente e está se tornando cada vez mais compacta. Comparado ao SOP-J8, o MP3414AGJ-Z em um invólucro TSOT23 é aproximadamente 72% menor, permitindo uma redução significativa da pegada (Figura 3).

Figura 3: Como os componentes são concebidos cada vez menores, é necessária a miniaturização de tipos de encapsulamento como o TSOT23. (Fonte da imagem: ROHM Semiconductor)

Maximização da eficiência e redução do consumo de potência

A necessidade de miniaturização é uma força motriz constante e, paralelamente, a necessidade de manter a confiabilidade e a eficiência energética. O regulador de chaveamento buck BD9E202FP4-ZTL proporciona uma saída ajustável e uma potência confiável num design compacto (Figura 4).

Figura 4: O BD9E202FP4-ZTL é um regulador de chaveamento buck que fornece alimentação confiável num design menor e compacto. (Fonte da imagem: ROHM Semiconductor)

Embora possa haver a ideia de que ser menor significa sacrificar as capacidades de carga ou o fornecimento confiável de alimentação, não é esse o caso. O BD9E202FP4-ZTL proporciona uma elevada eficiência de conversão, contribuindo também para um menor consumo de energia (Figura 5).

Ao fornecer uma corrente de espera baixa, os dispositivos alimentados por bateria podem se beneficiar de um consumo mínimo de energia quando estão inativos. Além disso, o controle do tempo de operação constante permite um funcionamento eficiente durante cargas leves.

Figura 5: Os projetistas procuram conversores CC/CC buck de alto rendimento que possam fornecer de forma eficiente e confiável. (Fonte da imagem: ROHM Semiconductor)

Conversores Flyback para CA/CC e CC/CC

O conversor flyback é um conversor buck-boost que incorpora um transformador fly-back. É utilizado na conversão CA/CC e CC/CC, onde existe uma isolação galvânica entre quaisquer saídas e a entrada, e oferece a multiplicação de relações de tensão com uma vantagem adicional de isolação.

Um conversor de energia isolado apresenta dois esquemas de controle, o controle do modo de tensão e o controle do modo de corrente. Na maioria dos casos, o controle do modo de corrente deve ser dominante para garantir a estabilidade durante o funcionamento.

Conversores CC-CC do tipo buck-boost

Um conversor CC-CC típico com uma magnitude de tensão de saída superior ou inferior à tensão de entrada é um conversor buck-boost. Também é possível gerar tensões negativas. É semelhante a um conversor flyback, mas em vez de utilizar um transformador, utiliza um único indutor. Especificamente, um conversor buck-boost consiste em duas topologias diferentes, com ambas a produzirem uma faixa de tensões de saída desde maiores do que a entrada até zero.

Por vezes designadas por "choppers", as fontes CC/CC incluem um circuito buck-boost, que funciona como um conversor elevador ou abaixador, dependendo do ciclo de trabalho.

Conclusão

A conversão eficiente de energia para os projetos automotivos e industriais atuais não pode funcionar sem reguladores chaveados de tensão. À medida que os projetos atuais se tornam mais compactos, a procura de componentes versáteis e eficientes que mantenham níveis de potência consistentes nunca foi tão grande.

Embora os reguladores chaveados de tensão possam ter diferentes nomes — SMPS, comutador CC/CC, regulador ou conversor — a ROHM oferece uma grande variedade de opções compactas para várias aplicações que requerem uma conversão de energia eficiente.