Projeto de Conversor DC-DC Boost
Na Eletrônica existirão ocasiões onde é necessário gerarmos uma tensão elevada, acima da fonte de alimentação principal do circuito e com a melhor eficiência possível. Quando isso ocorrer, o projeto de um conversor DC-DC do tipo boost (elevador de tensão) se faz necessário. Este é o propósito do presente artigo, ensinar ao leitor um dos métodos para projetar um elevador de tensão. A topologia típica de um conversor DC-DC boost pode ser vista na Figura 1.
Analisando o circuito para um sinal PWM aplicado ao MOSFET, poderemos entender como se dá a elevação de tensão. Portanto, esperamos um VOUT maior que VS. O MOSFET Q1 é canal N e ao receber um sinal em nível alto pode ser considerado como uma chave fechada, conduzindo corrente do terminal drain para o source (sentido convencional). O anodo de D1 vai para GND nesta situação, polarizando o diodo de forma reversa, onde o mesmo será considerado como uma chave aberta. Confira o circuito equivalente na Figura 2.
Nesta situação a corrente aumenta linearmente no indutor. Na situação em que o MOSFET encontra-se desligado (chave aberta), a corrente não poderá mudar de forme imediata no indutor, por isso nestas condições o diodo estará polarizado diretamente, se comportando como uma chave fechada. O circuito equivalente pode ser observado na Figura 3.
A análise matemática completa para o funcionamento do conversor boost pode ser apreciada na obra Eletrônica de Potência, Análise e Projeto de Circuitos do autor Daniel W. Hart, disponível em https://amzn.to/3d07Qaf, além de um amplo conteúdo sobre a área.
A equação para calcular a tensão de saída será
A tensão VS é a tensão da fonte de entrada e D é a taxa de trabalho do circuito. Se considerarmos uma taxa de trabalho constante igual a 0 (MOSFET sempre desligado) teremos
Em outras palavras, a menor tensão de saída possível para um conversor boost é a própria tensão da fonte. Aumentando o ciclo de trabalho, teremos um VS maior, visto que o parâmetro é subtraído de 1 e está presente no denominador.
Projeto de um conversor DC-DC Boost
Agora que compreendemos o conceito básico de um conversor DC-DC elevador de tensão, partiremos para o projeto. O leitor poderá realizar o projeto conforme suas necessidades, seguindo os passos do presente artigo. Para a nossa aplicação vamos considerar uma tensão de entrada Vs=15V, onde desejamos gerar uma tensão de saída de 48V capaz e acionar uma carga constante de 500mA. Logo, Io=500mA. Desejamos uma tensão de ondulação (ripple) inferior a 2%. Conhecendo-se Vo e Vs, pode-se calcular a taxa de trabalho, pois
Logo, o sinal PWM aplicado deverá apresentar um duty cycle de 68,75%.
Vamos arbitrar um valor para a frequência do PWM. Como padrão de projeto, deve-se arbitrar uma frequência na faixa kHz a MHz, que esteja acima da faixa de áudio (20kHz). Visando a utilização de circuitos mais simples de PWM, torna-se interessante utilizar frequências na faixa dos kHz. Para o nosso projeto, arbitraremos o valor de 50kHz.
O valor mínimo do indutor é calculado com a equação
Para assegurar o modo de condução contínua, daremos uma margem aumentando o valor calculado em 25%:
Você poderá construir um indutor no valor de 80µH ou mandar fabricar. Ele também deverá suportar uma corrente de 1A (margem do dobro da projetada para Io) e a frequência de 50kHz. O valor mínimo do capacitor é calculado a seguir
Aqui pode-se utilizar um valor superior, considerando valores comerciais. Utilizaremos 47µF, que assegurará um ripple ainda menor.
No circuito final, utilizaremos no lugar do diodo um segundo MOSFET, pois a tensão sobre este dispositivo em condução é menor do que a tensão no diodo, ocasionando perdas menores. Para tanto, um sinal PWM defasado em 180° deverá ser aplicado ao gate deste segundo MOSFET.
Outro detalhe importante é a geração de dead times nos PWMs, garantindo que, por um período de tempo (da ordem de nano segundos) ambos os MOSFETs encontrem-se desligados, evitando perdas ocasionadas pelo curto momentâneo entre os dispositivos. Podemos abordar métodos para gerar estes sinais PWM em artigos futuros, se for do interesse do leitor (comente). O circuito projetado está na Figura 4.
Naturalmente, a fonte de entrada Vs deverá fornecer uma corrente superior a 500mA, pois não é possível criar energia. Desprezando-se as perdas no circuito, teríamos
Portanto, Vs deverá ser capaz de fornecer no mínimo 1,6A (isso considerando um circuito ideal e o seu funcionamento em regime permanente).
Para validar o funcionamento, podemos simular o circuito da Figura 4 no LT Spice, onde comprovaremos que o circuito terá uma entrada de 15V e fornecerá uma saída de 48V sobre carga de 500mA. O resultado da simulação está explícito na Figura 5.
Obtivemos uma tensão de saída de 46,9V sobre uma carga de 500mA, aplicando um sinal PWM de 50kHz com duty cycle de 68,75%. Utilizamos o modelo do MOSFET IRF530 que provoca algumas perdas (na prática também ocorrerá obviamente) e esta questão poderá ser compensada pelo aumento do duty cycle do sinal PWM. O leitor interessado poderá seguir os passos deste artigo novamente, projetando um elevador de tensão para os parâmetros desejados.
