Controlador para Fonte Chaveada do Tipo Forward

[MOR_AL]

Olá pessoal!
Certa ocasião, aqui no fórum, mencionaram algo sobre uma fonte de alimentação entre 0 e 30V/3A. Acho que era isso.

Na época eu estava adquirindo componentes para fontes chaveadas, tais como controladores, transistores de potência de alta tensão, idem mosfets, condensadores etc.
Hoje decidi estudar qual seria a topologia para esta fonte chaveada. As minhas diretivas são as seguintes:
1 – 100Vca < VRede < 140Vca
2 – Isolamento galvânico entre a rede e a saída.
3 – 2Vcc < V0 < 30Vcc
4 – 10mA < I0 < 3A

Baseado nestas diretivas comecei a concatenar as idéias e concluí, preliminarmente, o seguinte:
1 – A potência máxima da fonte é de 30V x 3A = 90W. Esta potência normalmente encontra-se quase no limite superior das fontes do tipo flyback e na região central das fontes do tipo forward.
2 – Dentre estas duas topologias, a do tipo flyback exige um ferrite com cerca do dobro da capacidade do ferrite para a fonte forward. A fonte do tipo flyback funciona com mais exigência de tensão e corrente do transistor ou mosfet. Portanto, por questão de economia, custo e também volume, escolhi a topologia forward.
3 – A variação da tensão de entrada é de 40%, sendo que levando-se em consideração um ripple desta tensão de 15%, chega-se a mais de 50% de variação total. A variação da tensão de saída desde 2V até 30V, dá um fator de 15 vezes. Há uma situação em que a tensão retificada máxima seria de aprox. 140x1,4 (valor de pico) e a tensão de saída (V0) igual a 2Vcc. Outra situação seria que a tensão retificada valeria 100x1,4x0,85 = 119V (valor de pico mínimo menos 15%) e a tensão V0 com 30V. Como o delta (Ton / T) desta topologia é no máximo 50%, este delta deverá variar desde 50% até um valor bem pequeno (estimo 1%). Tal variação é praticamente impossível de se obter com um controle que forneça um período T constante. Para uma taxa de 20kc/s, o período Ton variaria entre 0,5us e 25us. O período Ton mínimo de 0,5us já é bem pequeno e exigiria técnicas de acionamento do mosfet bem complicadas. Acontece que o período Ton poderia ser até menor. Sendo assim descartei os controles PWM com período constante, restando os controles com período variável.
4 – Os controles com período variável permitem grandes variações (ajustes) na tensão de saída. O período Ton pode ser fixo ou até mesmo variável dentro de uma faixa mais estreita, digamos entre 5% e 45% do período mínimo Tmín. O período Toff variaria entre 25us e qualquer valor bem superior. Este método além de permitir grande variação no ajuste da tensão de saída, poupa consideravelmente o mosfet ou transistor, uma vez que o número de comutações diminui bastante, reduzindo também a dissipação neste componente. A contrapartida é que a geração de radio frequência (EMI) é mais dispersa na frequência, e deve ser especialmente tratada.
Bom, os controladores que eu conheço, que possuem período variável, possuem em um dos extremos do funcionamento, uma relação Ton = 6 Toff, o que inviabiliza sua aplicação em fontes forward, que exigem Ton menor ou igual a Toff.
Finalmente fica a dúvida.
Alguém de vocês conhece um controlador com as características corretas para esta aplicação? Tentei simular um controlador discreto, mas começou a ficar com muitos componentes, sendo descartado, pois prevejo uma grande probabilidade de ser afetado pela EMI.
Só peço que me desculpem pelo tamanho da exposição, mas acredito que foi necessária para vocês poderem visualizar o meu problema.
Grato.
MOR_AL

[phophollety]

Olá pessoal!
Certa ocasião, aqui no fórum, mencionaram algo sobre uma fonte de alimentação entre 0 e 30V/3A. Acho que era isso.

Na época eu estava adquirindo componentes para fontes chaveadas, tais como controladores, transistores de potência de alta tensão, idem mosfets, condensadores etc.
Hoje decidi estudar qual seria a topologia para esta fonte chaveada. As minhas diretivas são as seguintes:
1 – 100Vca < VRede < 140Vca
2 – Isolamento galvânico entre a rede e a saída.
3 – 2Vcc < V0 < 30Vcc
4 – 10mA < I0 < 3A

Baseado nestas diretivas comecei a concatenar as idéias e concluí, preliminarmente, o seguinte:
1 – A potência máxima da fonte é de 30V x 3A = 90W. Esta potência normalmente encontra-se quase no limite superior das fontes do tipo flyback e na região central das fontes do tipo forward.
2 – Dentre estas duas topologias, a do tipo flyback exige um ferrite com cerca do dobro da capacidade do ferrite para a fonte forward. A fonte do tipo flyback funciona com mais exigência de tensão e corrente do transistor ou mosfet. Portanto, por questão de economia, custo e também volume, escolhi a topologia forward.
3 – A variação da tensão de entrada é de 40%, sendo que levando-se em consideração um ripple desta tensão de 15%, chega-se a mais de 50% de variação total. A variação da tensão de saída desde 2V até 30V, dá um fator de 15 vezes. Há uma situação em que a tensão retificada máxima seria de aprox. 140x1,4 (valor de pico) e a tensão de saída (V0) igual a 2Vcc. Outra situação seria que a tensão retificada valeria 100x1,4x0,85 = 119V (valor de pico mínimo menos 15%) e a tensão V0 com 30V. Como o delta (Ton / T) desta topologia é no máximo 50%, este delta deverá variar desde 50% até um valor bem pequeno (estimo 1%). Tal variação é praticamente impossível de se obter com um controle que forneça um período T constante. Para uma taxa de 20kc/s, o período Ton variaria entre 0,5us e 25us. O período Ton mínimo de 0,5us já é bem pequeno e exigiria técnicas de acionamento do mosfet bem complicadas. Acontece que o período Ton poderia ser até menor. Sendo assim descartei os controles PWM com período constante, restando os controles com período variável.
4 – Os controles com período variável permitem grandes variações (ajustes) na tensão de saída. O período Ton pode ser fixo ou até mesmo variável dentro de uma faixa mais estreita, digamos entre 5% e 45% do período mínimo Tmín. O período Toff variaria entre 25us e qualquer valor bem superior. Este método além de permitir grande variação no ajuste da tensão de saída, poupa consideravelmente o mosfet ou transistor, uma vez que o número de comutações diminui bastante, reduzindo também a dissipação neste componente. A contrapartida é que a geração de radio frequência (EMI) é mais dispersa na frequência, e deve ser especialmente tratada.
Bom, os controladores que eu conheço, que possuem período variável, possuem em um dos extremos do funcionamento, uma relação Ton = 6 Toff, o que inviabiliza sua aplicação em fontes forward, que exigem Ton menor ou igual a Toff.
Finalmente fica a dúvida.
Alguém de vocês conhece um controlador com as características corretas para esta aplicação? Tentei simular um controlador discreto, mas começou a ficar com muitos componentes, sendo descartado, pois prevejo uma grande probabilidade de ser afetado pela EMI.
Só peço que me desculpem pelo tamanho da exposição, mas acredito que foi necessária para vocês poderem visualizar o meu problema.
Grato.
MOR_AL

Não mas, eu gostei da aula de fontes, tem como me enviar mais literatura disso ??

[Msconfig]

O UC3845 ou TL3845 é bem comum, tem na loja da esquina.

Tem mais variantes desse chip...

[fabim]

SôCE olhar o data do 494 vai ver que ele se encaixa no seu circuito.

Apesar de eu não ter entendido muito bem sua necessidade.

FAbim

[MOR_AL]

Bom.
Primeiramente respondendo ao Msconfig e Fabim por ser mais imediato.

O integrado sugerido possui período constante, inviabilizando seu uso devido ao exposto anteriormente. Mas valeu pela participação.

Olá Phopholety. Tudo bem?

A literatura é vasta e existente em livros e na internet. Sendo que nesta última fonte há companhias que comercializam ferrites e circuitos integrados dedicados. Pelo fato da existência de tanta literatura, as vezes a gente fica meio perdido. Muita coisa para ler. Talvez o mais indicado seria seguir o exposto abaixo:

Em tempo:
É claro que você pode montar qualquer fonte seguindo um projeto em um Application Note com esquema e as informações que ele contém. Mas eu entendi que você quer saber o que esperar em termos de tensões e correntes. Sendo assim, vamos lá.

1 - Começar com o tipo de fonte mais simples, que possua apenas um indutor, NÃO SE IMPORTANDO COMO VOCÊ VAI MONTÁ-LO! A idéia é entender o funcionamento antes, para saber o que deve esperar quando testar e funcionar diferente do esperado. Procure por fontes do tipo DC-DC Step-Down.
2 - Passe para fontes do tipo Step-Up.
3 - Passe para fontes do tipo inversor, entra +Vcc e sai -V0.
4 - Passe para fontes que possuam apenas um transformador. Na realidade são dois indutores montados em um ferrite. Cada um opera durante seu meio-ciclo exclusivo. É a fonte do tipo flyback.
5 - Passe para a fonte do tipo Forward.
6 - Passe para a fonte do tipo Push-Pull.

Esta sequência é também a ordem crescente de potência na saída.

Depois que você souber como estas fontes funcionam, é chegada a hora dos detalhes quantitativos. Limites de tensão e correntes nos componentes (transistores, mosfets, indutores, capacitores e integrados).
Com estas informações em mãos você já pode projetar algumas partes da fonte, tais como definir o transistor ou o mosfet, diodo, o integrado controlador (caso a fonte possua um), a rapidez de comutação necessária, o diagrama em blocos com o objetivo de ir juntando as partes, etc.

A etapa seguinte seria a de garantir que os componentes (principalmente o(s) transistor(res) ou mosfet(s)) fiquem dentro da região de operação segura (Safe Operation Area). É o caso do projeto do Snubber e dos Drivers para o acionamento. É claro que a rapidez de comutação do transistor ou do mosfet tem que ser compatível com o desejado.
Com relação aos diodos, as vezes pode-se usar os comuns, mas normalmente quando é necessária uma menor dissipação e mesmo uma melhor forma de onda, use os diodos rápidos para tensões altas e os schottky para tensões baixas.
A etapa seguinte seria a de especificar os capacitores de saída. Estes devem ser de qualidade e até mesmo testados, para ver qual apresenta menor indutância e resistência.
A etapa seguinte, e certamente a mais trabalhosa, é a etapa de se confeccionar os componentes magnéticos. As companhias (estrangeiras) que vendem ferrites já fornecem muitos "atalhos" para você chegar às especificações do componente. Claro que usando o ferrite deles, o que acho justo, diga-se de passagem, porém o problema é a maldita importação e quase sempre será necessário alterar o ferrite. Isso sem contar que eles vendem "a granel".

Caso você deseje conhecer como projetar o seu componente magnético, há dois caminhos:

a) Para indutores. Procure o jurássico e excelente "Paper" "Design of Reactances and Transformers Which Carry Direct Current" do autor C. R. HANNA, apresentado no "Winter Convention of the A. I. E. E., New York, N. Y., February 7-11, 1927". Um detalhe. Eu não era nascido e meus pais começavam a andar.
Neste paper é ensinado como fazer indutores (número de espiras e espessura do gap) PARA QUALQUER TIPO DE MATERIAL QUE COMPÕE O FERRITE. Basta possuir uma amostra e levantar uma curva. A partir daí, para os próximos projetos, basta entrar com os dados na curva e obter o número de espiras e espessura do gap.

b) Para o cálculo de transformadores e indutores em fontes, principalmente chaveadas, ler o livro "Transformer and Inductor Design Handbook" do Colonel Wm. T. McLyman, distribuído por Marcel Dekker, Inc. Cimarron Road, Monticello, New York 12701, U.S.A.

Depois disso tudo, você necessitará de um excelente ociloscópio e preferencialmente, de um Probe de corrente com efeito Hall.
Aí ao ligar a fonte para testá-la é que vem a realidade. Certamente você vai queimar muitos transistores ou mosfets. Qualquer pequena diferença do esperado tende a queimá-los. ÔÔÔHHH componentezinho fraco. Qualquer curtinho...e ele já era

Phophollety. Espero que esta maratona seja útil.
MOR_AL

[fabim]

Relendo eu observei, que você precisa de um controlador pwm com ciclos e frequencia variaveis.

Olha, eu vi a um tempo no site da micoxipe, um componente controlador pwm que tinha frequencia e ciclo ativo variaveis, através de um uControlador, pelo que observei na época você gerava a frequencia por exemplo com o PWM de um uC e a tensão de referencia com outro pwm.

De uma olhada no site da uXip que vocÊ vai achar esse menino, eu achei muito interessante na época.
Tinha até um esquema de fonte usando um 10F.

Achei. MCP1630 e 1631.. muitissimo interessante.

Abraços

Fabim

[MOR_AL]

Olá Fabim.
Eu editei a minha mensagem anterior para incluir sua postagem (também anterior). Parece que estamos "on line".
Vou dar uma olhada no site da Microchip. Também estou verificando se dá para "enganar" o TL497 e alterar o período Toff de 1/6 de Ton para Ton. Na realidade vou lá para o meu super laboratório (um quartinho de 4m2). Deve ser quase parecido com o da Microchip, APENAS com pequenas diferenças.
MOR_AL

[kaoalex]

Eu andei pesquisando na internet a respeito de fontes chaveadas e suas topologias. A única conclusão que cheguei foi a facilidade que se tem de fazer uma fonte chaveada explodir.


O site abaixo tem uma calculadora parta se determinar o indutor a ser usado.
http://www.daycounter.com/Calculators/S ... ator.phtml

Abaixo o esquema de uma fonte chaveada step-up usando um 555 como controlador de ciclo. O esquema funcionou bem até eu colocar uma carga mais alta. A limitação da saída e definida pelo diodo zener.

[Msconfig]

Esse circuito com 555 eu já testei sem sucesso... O 555 não é um componente sério...

[MOR_AL]

Olá kaoalex.

Dei uma olhada no site e o uso das calculadoras. Pelo menos nas duas que eu abri, está limitado a apenas uma tensão de entrada e não uma faixa de tensão de entrada. Isso é uma séria limitação.
O circuitinho com o 555 é um astável com regulagem por meio do pino de controle (5). É uma modulação por Posição do Pulso. O detalhe é que a variação do Ton, gerada pelo 555, é pequena. Mais ou menos de 3 a 4 vezes, inferior à variação de uma fonte normal, perto de 9 vezes.

Havia dito que ia tentar "enganar" o controlador para adaptá-lo ao meu projeto, mas o bichinho é esperto e não quis nem conversa. Não deu.

Fiz um circuitinho mais simples que gera os pulsos Ton com até 50% de Tmínimo. Quando a tensão de saída V0 for superior à tensão V0 desejada, o circuito bloqueia os Ton's até que V0 seja inferior a V0 desejada (V0 desejada - 50mV). Com isso ficam satisfeitas as duas imposições: Ton fica menor ou igual ao período mínimo e o período pode se estender o quanto for necessário.
Ainda não simulei o circuito, quando o fizer vou comparar com as minhas formas de onda para ver se conferem.
Também falta acrescentar um circuito de limitação de corrente. Acho que um transistor basta para tal.
O link com o circuito e as formas de onda seguem abaixo:
http://rapidshare.com/files/145618904/F ... d.doc.html
MOR_AL

[albertorcneto]

MOR_AL,

Eu pensei um circuito mais simples pra o seu caso.



Desculpa se foi feito no Paint mas to sem programa de desenho de circuitos aqui.

Se o duty-cycle tiver invertido, eh so inverter a posicao dos diodos.

Eu adaptei de um gerador de PWM, mas ele eh fixo, entao nao sei se resolve no seu caso.

[MOR_AL]

Olá albertorcneto. Tudo bem?

Ví o seu circuitinho. Ele é um oscilador com o semi-período Toff ajustável (em V0), sendo que Toff mínimo seria igual ao Ton, que é fixo.
Talvez, colocando-se um mosfet no lugar do potenciômetro de 1M, pudesse ser utilizado como um controle, amostrando a tensão de saída e usando-a neste controle. Neste caso, apesar do Toff ser variável, de acordo com as minhas necessidades, sempre haverá o período Ton. Imagine a condição em que a fonte esteja com carga nula, ou quase nula. Apesar do período total ir para o seu máximo, ainda assim haveria incremento da tensão de saída. Obviamente que podemos sempre colocar uma pequena carga para que ele funcione sem problemas.
Certa ocasião fiz um oscilador deste tipo (com cmos). Estava precisando de um estágio oscilador e sobravam gates no circuito. O detalhe é que os períodos são muito dependentes da temperatura. Mas é uma opção viável.
...Pois é quanto mais a gente pensa, mais a gente avança na idéia. O meu circuito anterior usava dois integrados, um com 4 comparadores e o outro, um 555. Acho que posso fazer com apenas um CI com 4 comparadores. O primeiro geraria o oscilador de onda quadrada. O segundo faria a tensão em sua saída ir para '1' caso a tensão de saída da fonte (V0), ficasse abaixo de 50mV do valor nominal. O terceiro seria um monoestável com o período Ton fixo. Este disparando quando a tensão do segundo estivesse em '1' (V0 < V0 nominal) E controlado pela transição positiva do oscilador. Isto garante que o período Ton fique fixo, não ficando abaixo de um determinado valor, que afetaria a transição do transistor de chaveamento. Quando a tensão do segundo comparador fosse para '0' (V0 > V0 nominal), ocorreria o bloqueio do monoestável (ME), sendo possível a operação da fonte sem carga. O quarto comparador poderia ser utilizado como controle da corrente de curto circuito, bloqueando momentaneamente, a geração dos pulsos de Ton do ME.
Ainda há mais alguns detalhes que devem ser levados em conta.
Poxa. Este tópico começou com COMPONENTE e está enveredando para CIRCUITO.
[]s
MOR_AL

[Djalma Toledo Rodrigues]

Na Microchip Ap. Notes tem muita info. sobre fontes.

O Indutor esta mais para 'Arte' do que técnica, o Cálculo, a Calculadora, serve apenas como introdução.

O CI de Contrôle pode ser um PIC.

O Layout da PCI exige cuidado e experiência, especialmente o comum da fonte.
.

[MOR_AL]

Olá Djalma. Tudo bem?

O Fabim já havia mencionado sobre AN da Microchip, mas sinceramente, estou evitando usar um microcontrolador (MC) para controlar a fonte. Na minha simulação o controle obtido possui a rapidez de um a dois microsegundos. Isso é muito difícil de se obter com um MC, e ainda há o problema da grande geração de EMI.

O Indutor esta mais para 'Arte' do que técnica, o Cálculo, a Calculadora, serve apenas como introdução.

Não ví ainda as AN, mas como você usou letras maiúsculas para "Cálculo" e "Calculadora", imagino que você esteja se referindo a softwares fornecidos pela Microchip.
Hoje, depois de muito ler e fazer, posso dizer que aprendi a "arte da técnica" do projeto de indutores e transformadores para fontes chaveadas. Na verdade cheguei a projetar e montar estes componentes baseados em dois processos. No primeiro é necessário apenas um ferrite do material que você deseja utilizar. A partir de testes neste ferrite, por meio de medições simples, você pode chegar às especificações de QUALQUER ferrite com o mesmo material (tamanho e geometria). Isso é válido para indutores e é fundamentado no paper da AIEE do Sr. Hanna, de 1927 (hoje são conhecidas como curvas Hanna. Se tiver oportunidade vale a pena lê-lo). Já mencionei isso em outra postagem. O segundo método é baseado apenas em cálculos. Estes muito bem fundamentados em um livro "Transformer and Inductor Design Handbook".
A grande vantagem do primeiro método, além de ser independente das especificações magnéticas do fabricante e de muitos cálculos, é que o indutor obtido é especificado para a corrente máxima e forma de onda triangular da corrente, diferentemente da maioria dos medidores de indutância que usam senóides e baixa potência. Com este método consigo obter, na primeira tentativa, uma indutância dentro de aproximadamente +/- 20% em torno do valor desejado, o que em termos de fontes chaveadas é suficiente. Mas caso seja necessário aumentar a precisão, bastaria alterar apenas uma vez o número de espiras para se chegar a menos que 5% do valor desejado.

O Layout da PCI exige cuidado e experiência, especialmente o comum da fonte.

É ... Você tem razão. Este detalhe já me deu muita dor de cabeça. Na realidade o cuidado deve ser tomado em toda malha de alta corrente e alta tensão. Em fontes alimentadas pela rêde (110 e 220), sem trafo em baixa frequência e do tipo flyback, a tensão no coletor, ou dreno do dispositivo de potência chega fácil a 750V (220 * 1,414 * 1,1 * 2 + 50V).
MOR_AL

[Djalma Toledo Rodrigues]

Exato Mo_ral.
Na Microchip tem fórmulas, bonitas fórmulas

Mas, a semelhança do motor elétrico onde também existem fórmulas, isso não basta
É necessário calcular, experimentar, recalcular tornar a experimentar até conseguir a otimização das bobinas do motor, não é ?