Controle e Simulao de Conversores CC/CC
Controle e Simulao de Conversores CC/CCDigenes GravePatrcia CmaraSimon DelabieTlio Dourado
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
1SumrioDescrio da AplicaoTeoriaCaractersticas dos Conversores UtilizadosProjeto e EspecificaesExemplos de Aplicaes ReaisReferncias6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
2Controle e Simulao de Conversores CC-CC
Descrio da AplicaoOs Conversores DC-DC so largamente utilizados em dispositivos eletrnicos pois tais dispositivos frequentemente contm diversos subcircuitos que exigem diferentes nveis de tenso em relao ao fornecido pela bateria.Descrio da AplicaoExemplosDispositivos Eletrnicos PortteisCarregador de BateriaNo-BreaksDescrio da AplicaoTeoriaControle e Simulao de Conversores CC-CC
Os conversores DC-DC so dispositivos usados para converter uma fonte de tenso contnua de um nvel para outro.Utilizam comutao de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos).Tambm conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.TeoriaA Converso realizada pelo armazenamento temporrio da energia de entrada e da liberao na sada com uma tenso diferente.
Vantagens:Alta EficinciaDispositivos reduzidos (CI)TeoriaDesvantagens: Maior Custo Complexidade Emisso de RudosTeoriaA converso pode ser feita para diminuir a tenso de sada em relao de entrada ou o contrrio.
Step-up / Step down
Alm disso podem variar a polaridade entre entrada e sada.TeoriaTopologias
Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.TeoriaTopologias mais utilizadas
TeoriaConversores que utilizam transformadores so chamados de isolados, ao contrrio dos no isolados.A classificao em Forward e Flyback feita pois no Forward a energia percorre o elemento magntico e a carga simultaneamente.J no Flyback, a energia transferida para o elemento magntico e num segundo estgio liberado para a carga.Alm disso os conversores podem ser classificados em Inversores e No Inversores de Polaridade.TeoriaPWM
Frequncia mnima de duas vezes a mxima frequncia da banda passante.
Filtrar a tenso de referncia para evitar harmnicos em frequncia maior ou igual de chaveamento.TeoriaMtodos de controle:Controle feito por PWM (modulao em largura de pulso), com os seguintes mtodos:
Single-loop control (Controle de lao/malha simples)
Input voltage feedforward (Alimentao com a tenso de entrada)
Current-mode control (Controle pelo mtodo da corrente)TeoriaMtodos de controle: Single-loop control
Controlado pela comparao entre a tenso de sada e o ciclo de trabalho.Teoria
Mtodos de controle: Input Voltage Feedforward
Aumenta a imunidade da tenso de sada do conversor em relao a rudos na tenso da entrada DC;
Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional tenso de entrada DC;
Um aumento da tenso DC de entrada aumentar a inclinao da rampa do PWM.TeoriaMtodos de controle: Current-mode control
O PWM substitudo por um circuito de realimentao de corrente;
O mtodo promove controle da corrente de sada e protege o circuito de potncia;
Melhor performance na rejeio de rudos da fonte e no aumento de carga.TeoriaMtodos de controle: Current-mode control
Teoria
Projeto e Especificaes
Conversores CC-CCAplicados em Fontes de Alimentao Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contnua.Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores no controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tenso de sada da fonte.Topologia BsicaConversor Abaixador ou BuckConversor Elevador ou BoostConversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
20Projeto e EspecificaesDiagrama de blocos da Converso CC-CC
Nota-se ento, que uma fonte chaveada formada por um lao com realimentao negativa que visa manter constante tenso de sada Vs.
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
21Projeto e EspecificaesDiagrama de blocos da Converso CC-CC
A tenso de controle (Vcontrole) obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tenso de sada, por exemplo), e um sinal de referncia desejada.
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
22Projeto e EspecificaesA implementao de malha(s) de controle tem como objetivo garantir:A preciso no ajuste da Varivel de SadaA correo de desvios provenientes de transitrios na alimentao ou mudana na carga.
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
23Projeto e EspecificaesA modulao PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como: SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As caractersticas especficas de cada CI variamEm funo da aplicao, do grau de desempenho esperado, das protees implementadas.Circuitos de comando ou gate-driversFrequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM, 6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
24Exemplos de Aplicaes Reais
Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
25Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsveis pela determinao da frequncia de operao;Circuito integrado LM3524;No possui circuito interno de acionamento do transistor;Possibilita limitao de corrente;Frequncia mxima de PWM na ordem de 300kHZ;Possui Tenso de referncia interna;6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
26Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Esquemtico do Conversor Buck com controle a PWM:
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
27Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Circuito de acionamento do transistor:Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador;Tem principal funo de acionar o transistor comutador;Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora;6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
28Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Esquemtico do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor:
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
29Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Circuito de limitao de corrente:Conversores Buck podem apresentar picos de corrente;Atua em conjunto com o integrado LM3524 para limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
30Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.
Circuito de limitao de corrente:Funcionamento:Corrente de entrada acima do permitido;Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores;Um sinal enviado ao controlador;O sinal PWM cortado at ocorrer a estabilizao da corrente;6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
31Esquemtico do Conversor Buck com circuito de limitao de corrente:
Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.Circuito de potncia:
Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicao em satlite aeroespacial artificial.Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicao em carregadores de bateria.Exemplos de Aplicaes ReaisCarregador de Baterias:Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380;Regulador de Tenso do carregador atravs do TL431;Circuito de controle de corrente;Tenso de sada do carregador em 28V;Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicao em carregadores de bateria.
Flyback:Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicao em carregadores de bateria.Controlado pelo integrado 1M0380Pino 3 com tenso de 18V mantido pelo Zener;Liberao dos primeiros sinais PWM;Alimentao do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback;Tenso de alimentao fixada em 30V pelo enrolamento;Exemplo de Aplicaes ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicao em carregadores de bateria.A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicao prtica, projete o transformador do mesmo, considerando para os clculos:Tenso de entrada entre 130V e 350V;A razo cclica, , de 0,5;Corrente sada mxima de 1A e mnima de 0,1A;Tenso de sada de 28V;Queda de tenso no diodo de 1,5V;Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz
Exerccios
Projete os parmetros do circuito de potncia (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prtico. Dados:Tenso de entrada (Vi): entre 22V e 36V;Tenso de sada de 5V;Ripple da tenso de sada: 10mVppCorrente de sada (Io): 200mA;Carga (R): 25;Comutao do transistor: PWM;Frequencia de trabalho do PWM: 100kHzOperao: MCC
Exerccios
RefernciasRodrigues, Leandro Gaspari Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicao Aeroespacial. Escola de Engenharia de So Carlos USPShiavon, Gilson Junior No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potncia, Circuito de Controle Analgico e Circuito de controle Digital com DSC Centro de Tecnologia e Urbanismo Universidade Estadual de LondrinaBrumatti, Mrcio Eletrnica de Potncia. Automao Industrial. Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo CEFET/ESA. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal. 1998.6/12/2012 10:55 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
40DVIDAS
6/12/2012 10:08 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos so ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros pases.As informaes contidas neste documento tm finalidades meramente informativas e representam a viso atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentao. Como a Microsoft precisa responder s constantes mudanas nas condies de mercado, o contedo do documento no deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft no pode garantir a exatido de qualquer informao fornecida aps a data desta apresentao. A MICROSOFT NO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLCITA OU LEGAL, CONCERNENTE S INFORMAES DESTA APRESENTAO.
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