Regulação do fornecimento de energia

Os conversores de tensão DC-DC são frequentemente usados para fornecer um fornecimento de tensão regulado a partir de uma fonte de tensão não regulamentada. Fontes de tensão não regulamentadas podem ser retificadas tensões de linha que exibem flutuações devido a alterações de magnitude. Os suprimentos de tensão regulados fornecem uma tensão média de saída DC a um nível desejado (3,3 V, 2,5 V, etc.), apesar das fontes flutuantes de tensão de entrada e das cargas de saída variáveis. Os fatores a serem considerados ao decidir sobre uma solução de fornecimento de tensão regulada incluem:

• Tensões de entrada de fonte disponíveis
• Magnitudes desejadas de tensão de saída de alimentação
• Capacidade de diminuir ou intensificar tensões de saída, ou ambos
• Eficiência do conversor DC-DC (P_OUT / P_IN)
• Ondulação de tensão de saída
• Resposta transitória de carga de saída
• Complexidade da solução (uma solução IC, # de componentes passivos, controlador e FETs externos)
• Frequência de comutação (para reguladores de modo de comutação)

As seções a seguir descrevem vários reguladores de tensão diferentes.

Reguladores Lineares

Os reguladores de tensão linear são comumente usados para aplicações de step-down (a tensão de alimentação é menor que a tensão de fonte de entrada). Os reguladores lineares também estão disponíveis com uma tensão de saída fixa ou uma tensão de saída variável ao usar resistores de viés externos.

A vantagem dos reguladores lineares é a implementação simples e peças mínimas (apenas o IC no caso de saída fixa) e a baixa saída de saída. A maior desvantagem dos reguladores lineares é a baixa eficiência. A potência significativa é dissipada dentro do IC regulador linear, pois o conversor está constantemente ligado e conduzindo a corrente. Os reguladores lineares devem ser usados quando a diferença entre tensão de fonte de entrada e tensão de fornecimento de saída é mínima, e a eficiência do conversor não é uma preocupação.

Trocando reguladores

Os reguladores de tensão de comutação são comumente usados para aplicações de intensificação e step-down, e diferem dos reguladores lineares por meio da implementação de modulação de largura de pulso (PWM). Os reguladores de comutação controlam a tensão de saída usando um interruptor atual (interno ou externo ao regulador de IC) com uma frequência constante e ciclo de dever variável. As frequências de comutação são geralmente de alguns kHz a algumas centenas de kHz. A relação de ciclo de serviço do interruptor determina quanto e quão rapidamente a tensão de alimentação aumenta ou diminui, dependendo do estado de carga e da tensão da fonte de entrada. Alguns reguladores de comutação utilizam a frequência de comutação variável e o ciclo de tarefas, mas estes não são comumente usados para aplicações FPGA/CPLD.

A clara vantagem da comutação dos reguladores é a eficiência, uma vez que a energia mínima é dissipada no caminho de alimentação (interruptores FET) quando a tensão de alimentação de saída é suficiente para o estado de carga. Essencialmente, o conversor de energia "desliga" quando a energia não é necessária, devido ao ciclo mínimo de serviço de switch. A desvantagem de trocar de reguladores é a complexidade, pois vários componentes passivos externos são necessários a bordo. No caso de aplicações de alta corrente, as ICs fet externas são necessárias, pois o conversor de IC atua apenas como lógica de controle para o switch FET externo. A ondulação da tensão de saída é outra desvantagem, que geralmente é manuseada com capacitância de bypass perto da fonte e da carga.

Conversor buck

Os conversores de tensão produzem uma tensão média de saída menor do que a tensão de fonte de entrada. A Figura 1 mostra uma topologia básica usando componentes ideais. O indutor serve como fonte atual para a impedância da carga de saída. Quando o interruptor FET está ligado, a corrente do indutor aumenta, induzindo uma queda positiva de tensão através do indutor e uma tensão de alimentação de saída mais baixa em referência à tensão da fonte de entrada. Quando o interruptor FET está desligado, a corrente do indutor descarrega, induzindo uma queda de tensão negativa através do indutor. Como uma porta do indutor está amarrada ao solo, a outra porta terá um nível de tensão mais alto, que é a tensão de alimentação de saída alvo. A capacitância de saída atua como um filtro de baixa passagem, reduzindo a ondulação da tensão de saída como resultado da corrente flutuante através do indutor. O diodo fornece um caminho atual para o indutor quando o interruptor FET estiver desligado.

Conversor de Buck Síncrona

O conversor de buck síncrona é essencialmente o mesmo que o conversor de recuo de buck com a substituição do diodo por outro interruptor FET. O switch FET superior se comporta da mesma forma que o conversor de buck no carregamento da corrente do indutor. Quando o controle do interruptor está desligado, o interruptor FET inferior liga-se para fornecer um caminho atual para o indutor ao descarregar. Apesar de exigir mais componentes e sequenciamento lógico de switch adicional, essa topologia melhora a eficiência com tempo de ativação do interruptor mais rápido e menor resistência à série FET (rdson) em relação ao diodo.

Conversor de impulso

Os conversores boost, ou step-up, produzem uma tensão média de saída maior do que a tensão de fonte de entrada. A Figura 3 mostra uma variação da topologia de buck, com o diodo, interruptor FET e indutor trocados. Quando o interruptor FET está ligado, o diodo é com viés reverso, isolando assim a carga da tensão de fonte de entrada e carregando a corrente do indutor. Quando o interruptor FET está desligado, a carga de saída recebe energia do indutor e da tensão de alimentação de entrada. A corrente do indutor começa a descarregar, induzindo uma queda de tensão negativa através do indutor. Como uma porta do indutor é acionada pela tensão de alimentação de entrada, a outra porta terá um nível de tensão mais alto, assim o recurso de impulso ou intensificação. Assim como o conversor de buck, o capacitor atua como um filtro de baixa passagem, reduzindo a ondulação da tensão de saída como resultado da corrente flutuante através do indutor.

Conversor buck-boost

Os conversores buck-boost podem produzir uma tensão de alimentação negativa a partir de uma tensão de fonte de entrada positiva (ou seja, negativa em relação à porta comum/terrestre da tensão de fonte de entrada). Semelhante a um conversor de dólares, a topologia acima trocou o diodo e o indutor. Quando o interruptor FET está ligado, o diodo é com viés reverso, carregando a corrente do indutor devido à queda positiva de tensão no indutor. Quando o interruptor FET está desligado, o indutor fornece energia para a carga de saída através do nó comum/terra, descarregando a corrente, o que induz uma queda de tensão negativa através do indutor. Como uma porta indutora está ligada ao comum/terra, a outra porta está em um nível de tensão mais baixo em comparação com o comum/terra, daí os níveis negativos de tensão de alimentação em toda a carga de saída.