Controle e Simulação de Conversores CC/CC

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1 Controle e Simulação de Conversores CC/CC
4/2/2017 2:28 PM Controle e Simulação de Conversores CC/CC Diógenes Grave Patrícia Câmara Simon Delabie Túlio Dourado © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

2 Sumário Descrição da Aplicação Teoria
4/2/2017 2:28 PM Sumário Descrição da Aplicação Teoria Características dos Conversores Utilizados Projeto e Especificações Exemplos de Aplicações Reais Referências © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

3 Controle e Simulação de Conversores CC-CC
Descrição da Aplicação Controle e Simulação de Conversores CC-CC

4 Descrição da Aplicação
Os Conversores DC-DC são largamente utilizados em dispositivos eletrônicos pois tais dispositivos frequentemente contém diversos subcircuitos que exigem diferentes níveis de tensão em relação ao fornecido pela bateria.

5 Descrição da Aplicação
Exemplos Dispositivos Eletrônicos Portáteis Carregador de Bateria No-Breaks

6 Controle e Simulação de Conversores CC-CC
Teoria Controle e Simulação de Conversores CC-CC

7 Teoria Os conversores DC-DC são dispositivos usados para converter uma fonte de tensão contínua de um nível para outro. Utilizam comutação de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos). Também conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.

8 Teoria A Conversão é realizada pelo armazenamento temporário da energia de entrada e da liberação na saída com uma tensão diferente. Vantagens: Alta Eficiência Dispositivos reduzidos (CI)

9 Teoria Desvantagens: Maior Custo Complexidade Emissão de Ruídos

10 Teoria A conversão pode ser feita para diminuir a tensão de saída em relação à de entrada ou o contrário. Step-up / Step down Além disso podem variar a polaridade entre entrada e saída.

11 Teoria Topologias Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.

12 Teoria Topologias mais utilizadas

13 Teoria Conversores que utilizam transformadores são chamados de isolados, ao contrário dos não isolados. A classificação em Forward e Flyback é feita pois no Forward a energia percorre o elemento magnético e a carga simultaneamente. Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento magnético e num segundo estágio é liberado para a carga. Além disso os conversores podem ser classificados em Inversores e Não Inversores de Polaridade.

14 Teoria PWM Frequência mínima de duas vezes a máxima frequência da banda passante. Filtrar a tensão de referência para evitar harmônicos em frequência maior ou igual à de chaveamento.

15 Teoria Métodos de controle:
Controle feito por PWM (modulação em largura de pulso), com os seguintes métodos: Single-loop control (Controle de laço/malha simples) Input voltage feedforward (Alimentação com a tensão de entrada) Current-mode control (Controle pelo método da corrente)

16 Teoria Métodos de controle: Single-loop control
Controlado pela comparação entre a tensão de saída e o ciclo de trabalho.

17 Teoria Métodos de controle: Input Voltage Feedforward
Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor em relação a ruídos na tensão da entrada DC; Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional à tensão de entrada DC; Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a inclinação da rampa do PWM.

18 Teoria Métodos de controle: Current-mode control
O PWM é substituído por um circuito de realimentação de corrente; O método promove controle da corrente de saída e protege o circuito de potência; Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e no aumento de carga.

19 Teoria Métodos de controle: Current-mode control

20 Projeto e Especificações
4/2/2017 2:28 PM Projeto e Especificações Conversores CC-CC Aplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contínua. Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tensão de saída da fonte. Topologia Básica Conversor Abaixador ou Buck Conversor Elevador ou Boost Conversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

21 Projeto e Especificações
4/2/2017 2:28 PM Projeto e Especificações Diagrama de blocos da Conversão CC-CC Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por um laço com realimentação negativa que visa manter constante tensão de saída Vs. © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

22 Projeto e Especificações
4/2/2017 2:28 PM Projeto e Especificações Diagrama de blocos da Conversão CC-CC A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada. © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

23 Projeto e Especificações
4/2/2017 2:28 PM Projeto e Especificações A implementação de malha(s) de controle tem como objetivo garantir: A precisão no ajuste da Variável de Saída A correção de desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudança na carga. © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

24 Projeto e Especificações
4/2/2017 2:28 PM Projeto e Especificações A modulação PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como: SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As características específicas de cada CI variam Em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas. Circuitos de comando ou gate-drivers Frequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM, © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

25 Exemplos de Aplicações Reais
4/2/2017 2:28 PM Exemplos de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

26 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsáveis pela determinação da frequência de operação; Circuito integrado LM3524; Não possui circuito interno de acionamento do transistor; Possibilita limitação de corrente; Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ; Possui Tensão de referência interna; © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

27 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Esquemático do Conversor Buck com controle a PWM: © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

28 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Circuito de acionamento do transistor: Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador; Tem principal função de acionar o transistor comutador; Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora; © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

29 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Esquemático do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor: © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

30 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Circuito de limitação 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; © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

31 4/2/2017 2:28 PM Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Circuito de limitação de corrente: Funcionamento: Corrente de entrada acima do permitido; Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores; Um sinal é enviado ao controlador; O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização da corrente; © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

32 Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Esquemático do Conversor Buck com circuito de limitação de corrente:

33 Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial. Circuito de potência:

34 Exemplos de Aplicações Reais
Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.

35 Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. Carregador de Baterias: Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380; Regulador de Tensão do carregador através do TL431; Circuito de controle de corrente; Tensão de saída do carregador em 28V;

36 Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. Flyback:

37 Exemplo de Aplicações Reais Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria. Controlado pelo integrado 1M0380 Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener; Liberação dos primeiros sinais PWM; Alimentação do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback; Tensão de alimentação fixada em 30V pelo enrolamento;

38 Exercícios A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicação prática, projete o transformador do mesmo, considerando para os cálculos: Tensão de entrada entre 130V e 350V; A razão cíclica, δ, de 0,5; Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A; Tensão de saída de 28V; Queda de tensão no diodo de 1,5V; Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz

39 Exercícios Projete os parâmetros do circuito de potência (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prático. Dados: Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V; Tensão de saída de 5V; Ripple da tensão de saída: 10mVpp Corrente de saída (Io): 200mA; Carga (R): 25Ω; Comutação do transistor: PWM; Frequencia de trabalho do PWM: 100kHz Operação: MCC

40 4/2/2017 2:28 PM Referências Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São Carlos – USP Shiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potência, Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo – Universidade Estadual de Londrina Brumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo – CEFET/ES A. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.

41 4/2/2017 2:28 PM DÚVIDAS © 2007 Microsoft Corporation. Todos os direitos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista e outros nomes de produtos são ou podem ser marcas registradas e/ou marcas comerciais nos Estados Unidos e/ou em outros países. As informações contidas neste documento têm finalidades meramente informativas e representam a visão atual da Microsoft Corporation, na data desta apresentação. Como a Microsoft precisa responder às constantes mudanças nas condições de mercado, o conteúdo do documento não deve ser interpretado como um compromisso por parte da Microsoft, e a Microsoft não pode garantir a exatidão de qualquer informação fornecida após a data desta apresentação. A MICROSOFT NÃO OFERECE NENHUMA GARANTIA, SEJA EXPRESSA, IMPLÍCITA OU LEGAL, CONCERNENTE ÀS INFORMAÇÕES DESTA APRESENTAÇÃO.