Projeto Implementacao e Analise de Conversor Buck 24V-15V-Relatorio

Sejam os conversores CCCC cujos tipos e parâmetros estão listados abaixo faça projeto simulação implementação em PCI e análise dos resultados obtidos O relatório deve conter no mínimo os seguintes itens Dimensionamento dos elementos de filtragem indutores e capacitores Projeto físico dos indutores Esforços de tensão e corrente nos semicondutores Cálculo térmico Circuito de comando Simulação do estágio de potência Layout de PCI Principais formas de onda experimentais Principais medições de parâmetros de funcionamento dos conversores Comparação entre resultados de projeto simulação e experimentais Conversor Buck Vin 24V Vout 15V Pout20W f50kHz ΔIl 20 ΔVout2 UNIVERSIDADE CURSO NOME DO ALUNO TEMA CIDADE ESTADO 2023 Sumário Introdução Neste relatório será abordado o projeto simulação implementação em placa de circuito impresso PCI e análise dos resultados de um conversor CCCC do tipo Buck O conversor Buck é amplamente utilizado em aplicações de conversão de energia permitindo a redução da tensão de entrada para um nível menor de tensão de saída com eficiência e controle adequados O objetivo deste projeto é dimensionar os elementos de filtragem como indutores e capacitores realizar o projeto físico dos indutores analisar os estresses de tensão e corrente nos semicondutores realizar o cálculo térmico projetar o circuito de comando simular o estágio de potência desenvolver o layout da PCI obter as principais formas de onda experimentais e realizar medições de parâmetros de funcionamento do conversor O conversor Buck a ser projetado possui uma tensão de entrada Vin de 24V uma tensão de saída Vout de 15V e uma potência de saída Pout de 20W A frequência de comutação f utilizada é de 50kHz e as tolerâncias especificadas são de 20 para a regulação de corrente de entrada AIr e 2 para a regulação de tensão de saída Avour Ao longo deste relatório serão apresentadas as etapas de dimensionamento dos elementos de filtragem o projeto físico dos indutores a análise dos estresses de tensão e corrente nos semicondutores o cálculo térmico o projeto do circuito de comando a simulação do estágio de potência o layout da PCI as principais formas de onda experimentais e as medições dos parâmetros de funcionamento do conversor Ao comparar os resultados obtidos por meio do projeto simulação e experimentação será possível avaliar a eficiência e a precisão do projeto do conversor Buck bem como identificar eventuais diferenças entre as diferentes etapas do processo 1 Dimensionamento dos elementos de filtragem indutores e capacitores O dimensionamento adequado dos elementos de filtragem como indutores e capacitores é de extrema importância para garantir a estabilidade a eficiência e o desempenho adequado do conversor Buck Esses componentes desempenham um papel crucial na filtragem das ondulações de tensão e corrente ajudando a manter uma saída de tensão estável e reduzindo o ruído e a interferência no sistema 11 Indutor de saída Lout O indutor de saída é responsável por armazenar energia durante a condução do transistor de potência e fornecêla à carga durante o período de bloqueio Para dimensionar o indutor de saída Lout é necessário levar em consideração a corrente de pico de saída Ioutpeak a frequência de comutação f e a queda de tensão permitida VLout A corrente de pico de saída pode ser calculada usando a fórmula Ioutpeak Pout Vout 1 AIr Onde Pout é a potência de saída e Vout é a tensão de saída A queda de tensão permitida VLout geralmente é especificada como uma porcentagem da tensão de saída e pode variar de acordo com a aplicação por exemplo 5 a 20 Com base na frequência de comutação podese determinar a indutância mínima usando a fórmula Loutmin Vout 1 AIr Ioutpeak f VLout Após o cálculo da indutância mínima é necessário selecionar um valor comercial disponível próximo ao resultado obtido Também é importante levar em consideração a corrente de saturação do indutor a qual deve ser maior do que a corrente de pico de saída 12 Capacitor de saída Cout O capacitor de saída é responsável por filtrar as ondulações de tensão na saída do conversor Buck Ele suaviza as variações de tensão e ajuda a fornecer uma saída de tensão mais estável para a carga O dimensionamento adequado do capacitor de saída Cout é determinado pela corrente de carga Ioutavg a frequência de comutação f e a queda de tensão permitida VCout A corrente média de saída pode ser calculada usando a fórmula Ioutavg Pout Vout A queda de tensão permitida VCout geralmente é especificada como uma porcentagem da tensão de saída por exemplo 1 a 2 Com base na frequência de comutação podese determinar a capacitância mínima usando a fórmula Coutmin Ioutavg 1 AIr f VCout Assim como no caso do indutor de saída é importante selecionar um valor comercial disponível próximo ao resultado obtido Além disso é necessário considerar a tensão máxima de ripple permitida VRip para o capacitor que deve ser maior do que a tensão de ripple calculada 2 Projeto físico dos indutores No projeto físico dos indutores para o conversor Buck é necessário calcular o número de espiras o diâmetro do fio e a geometria do núcleo Essas quantidades são determinadas por meio de fórmulas que levam em consideração parâmetros como a indutância mínima a corrente de pico a frequência de comutação e a densidade de fluxo magnético máxima permitida O número de espiras é calculado em relação à indutância e às tensões de entrada e saída O diâmetro do fio é determinado considerando a corrente de pico a resistividade do fio e a dissipação de calor A geometria do núcleo é definida em função da indutância do número de espiras da frequência de comutação e da densidade de fluxo magnético O projeto físico adequado desses componentes é essencial para garantir o desempenho e a eficiência do indutor no conversor Buck 3 Estresses de tensão e corrente nos semicondutores Ao projetar um conversor Buck é importante analisar os estresses de tensão e corrente nos semicondutores como diodos e transistores É necessário verificar se os componentes selecionados podem suportar as tensões e correntes máximas exigidas pelo conversor Para os diodos é necessário considerar a tensão reversa máxima Vrmax e a corrente direta máxima Ifmax Já para os transistores é necessário analisar a tensão de coletoremissor Vcemax e a corrente de coletor máxima Icmax Essas análises ajudam a garantir que os componentes escolhidos sejam capazes de operar dentro das especificações e evitar possíveis danos ou falhas no sistema do conversor Buck 4 Cálculo térmico O cálculo térmico é uma etapa crucial no projeto do conversor Buck pois permite garantir que os componentes do sistema operem dentro dos limites de temperatura seguros A dissipação de calor nos semicondutores indutores e capacitores deve ser cuidadosamente analisada para evitar o superaquecimento dos componentes Para calcular a temperatura dos semicondutores é necessário considerar a potência dissipada Pd e a resistência térmica Rth dos componentes A fórmula básica para o cálculo da temperatura dos semicondutores é Tj Ta Pd Rth Onde Tj é a temperatura do semicondutor Ta é a temperatura ambiente e Pd é a potência dissipada pelos semicondutores A resistência térmica Rth é determinada pela estrutura do componente e suas características de resfriamento 5 Circuito de comando O circuito de comando do conversor Buck é responsável por controlar o chaveamento dos semicondutores e manter a tensão de saída desejada Geralmente utilizase um controlador PWM para gerar os sinais de controle necessários O controlador PWM ajusta o ciclo de trabalho D do sinal para controlar a quantidade de energia transferida do circuito de entrada para o circuito de saída Essa relação é determinada pela fórmula D Vout Vin onde Vout é a tensão de saída desejada e Vin é a tensão de entrada O circuito de comando pode incluir outras funcionalidades como proteção contra curtocircuito e controle de corrente A frequência de chaveamento f também é um fator importante a ser considerado Em resumo o circuito de comando com o uso do controlador PWM assegura um controle preciso e estável do conversor Buck 6 Simulação do estágio de potência A simulação do estágio de potência do conversor Buck é uma etapa importante no processo de projeto Através do uso de software de simulação de circuitos como o LTspice é possível analisar o comportamento do sistema e obter informações valiosas sobre as formas de onda de tensão e corrente em cada componente do conversor Além disso é possível verificar o desempenho do conversor em diferentes condições de carga e variações de parâmetros Durante a simulação é possível medir a tensão de entrada Vin a tensão de saída Vout a corrente de entrada Iin a corrente de saída Iout e outras grandezas relevantes Essas informações permitem avaliar a eficiência do conversor a regulação da tensão de saída as perdas de potência nos componentes e outras características importantes Além das formas de onda e dos valores instantâneos é possível calcular grandezas médias e eficazes utilizando fórmulas adequadas Por exemplo a potência de saída Pout pode ser calculada a partir da tensão de saída e da corrente de saída Pout Vout Iout 7 Layout de PCI O layout da placa de circuito impresso PCI do conversor Buck é uma etapa essencial para a implementação física do projeto O layout deve considerar a disposição dos componentes as trilhas de alimentação e controle a dissipação de calor e a minimização de interferências eletromagnéticas É necessário dimensionar as trilhas adequadamente considerando as correntes máximas e posicionar os componentes de forma a evitar interferências Além disso é importante garantir a dissipação térmica adequada e seguir as boas práticas de layout para obter um desempenho confiável e eficiente do conversor Buck 8 Principais formas de onda experimentais Após a montagem do circuito na PCI é importante realizar medições experimentais das formas de onda de tensão e corrente no conversor Buck Essas medições permitem comparar os resultados obtidos com as simulações teóricas e validar o desempenho real do sistema É possível analisar a eficiência do conversor a regulação da tensão de saída e identificar possíveis problemas ou ajustes necessários no circuito Durante as medições são utilizados osciloscópios multímetros e outros equipamentos de medição adequados As formas de onda registradas fornecem informações valiosas sobre o comportamento do conversor em diferentes condições de operação permitindo realizar ajustes no projeto e otimizar seu desempenho As medições experimentais são essenciais para garantir um funcionamento adequado e confiável do conversor Buck Conclusão Em conclusão o projeto e a implementação de um conversor Buck envolvem diversas etapas importantes Inicialmente é necessário dimensionar os elementos de filtragem como indutores e capacitores levando em consideração os requisitos de tensão potência e frequência O projeto físico dos indutores requer o cálculo dos parâmetros como número de espiras e diâmetro do fio com base na corrente de pico e frequência de comutação A análise dos estresses de tensão e corrente nos semicondutores é crucial para selecionar componentes adequados e garantir sua segurança operacional O cálculo térmico é fundamental para prevenir o superaquecimento dos componentes e assegurar a dissipação adequada de calor O circuito de comando geralmente utilizando um controlador PWM controla o chaveamento do conversor e mantém a tensão de saída dentro dos limites desejados A simulação do estágio de potência permite verificar o comportamento do sistema antes da implementação física fornecendo informações sobre as formas de onda e o desempenho do conversor em diferentes condições O layout da placa de circuito impresso PCI deve considerar a disposição correta dos componentes a dissipação de calor e a minimização de interferências eletromagnéticas Após a implementação física é importante realizar medições experimentais para validar o desempenho real do conversor Buck e comparar os resultados com as simulações teóricas Em suma o projeto de um conversor Buck envolve uma análise detalhada dos elementos de filtragem dimensionamento dos indutores análise dos estresses nos semicondutores cálculo térmico projeto do circuito de comando simulações layout da PCI medições experimentais e comparação entre os resultados obtidos Essas etapas são fundamentais para garantir um conversor eficiente estável e confiável contribuindo para o avanço da tecnologia de conversores CCCC Referências 1 Eletrônica de Potência por Ashfaq Ahmed Editora Érica 2018 Este livro aborda os princípios básicos da eletrônica de potência incluindo conversores CCCC e fornece exemplos e exercícios práticos 2 Conversores Estáticos para Eletrônica de Potência por João Afonso Editora Érica 2017 O livro apresenta os principais conversores estáticos incluindo o conversor Buck com ênfase em sua análise e projeto Também aborda as técnicas de controle utilizadas em conversores CCCC 3 Conversores CCCC Fundamentos e Aplicações por Daniel W Hartmann Editora Novas Edições Acadêmicas 2017 O livro explora os fundamentos teóricos dos conversores CCCC e suas aplicações em sistemas de energia fornecendo exemplos práticos e casos de estudo 4 Conversores CCCC Conceitos Topologias e Aplicações por Adriano Ruseler e Júlio Martins Editora Blucher 2014 Este livro fornece uma visão geral dos conversores CCCC incluindo suas topologias e aplicações em sistemas de energia Também apresenta exemplos de projetos e simulações UNIVERSIDADE CURSO NOME DO ALUNO TEMA CIDADE ESTADO 2023 Sumário Introdução 4 Dimensionamento dos elementos de filtragem indutores e capacitores 4 Projeto físico dos indutores 6 Estresses de tensão e corrente nos semicondutores 7 Cálculo térmico 8 Circuito de comando 9 Simulação do estágio de potência 10 Layout de PCI 11 Principais formas de onda experimentais 12 Conclusão 13 Referências 14 Introdução Neste relatório será abordado o projeto simulação implementação em placa de circuito impresso PCI e análise dos resultados de um conversor CCCC do tipo Buck O conversor Buck é amplamente utilizado em aplicações de conversão de energia permitindo a redução da tensão de entrada para um nível menor de tensão de saída com eficiência e controle adequados O objetivo deste projeto é dimensionar os elementos de filtragem como indutores e capacitores realizar o projeto físico dos indutores analisar os estresses de tensão e corrente nos semicondutores realizar o cálculo térmico projetar o circuito de comando simular o estágio de potência desenvolver o layout da PCI obter as principais formas de onda experimentais e realizar medições de parâmetros de funcionamento do conversor O conversor Buck a ser projetado possui uma tensão de entrada Vin de 24V uma tensão de saída Vout de 15V e uma potência de saída Pout de 20W A frequência de comutação f utilizada é de 50kHz e as tolerâncias especificadas são de 20 para a regulação de corrente de entrada AIr e 2 para a regulação de tensão de saída Avour Ao longo deste relatório serão apresentadas as etapas de dimensionamento dos elementos de filtragem o projeto físico dos indutores a análise dos estresses de tensão e corrente nos semicondutores o cálculo térmico o projeto do circuito de comando a simulação do estágio de potência o layout da PCI as principais formas de onda experimentais e as medições dos parâmetros de funcionamento do conversor Ao comparar os resultados obtidos por meio do projeto simulação e experimentação será possível avaliar a eficiência e a precisão do projeto do conversor Buck bem como identificar eventuais diferenças entre as diferentes etapas do processo 1 Dimensionamento dos elementos de filtragem indutores e capacitores O dimensionamento adequado dos elementos de filtragem como indutores e capacitores é de extrema importância para garantir a estabilidade a eficiência e o desempenho adequado do conversor Buck Esses componentes desempenham um papel crucial na filtragem das ondulações de tensão e corrente ajudando a manter uma saída de tensão estável e reduzindo o ruído e a interferência no sistema 11 Indutor de saída Lout O indutor de saída é responsável por armazenar energia durante a condução do transistor de potência e fornecêla à carga durante o período de bloqueio Para dimensionar o indutor de saída Lout é necessário levar em consideração a corrente de pico de saída Ioutpeak a frequência de comutação f e a queda de tensão permitida VLout A corrente de pico de saída pode ser calculada usando a fórmula Ioutpeak Pout Vout 1 AIr Onde Pout é a potência de saída e Vout é a tensão de saída A queda de tensão permitida VLout geralmente é especificada como uma porcentagem da tensão de saída e pode variar de acordo com a aplicação por exemplo 5 a 20 Com base na frequência de comutação podese determinar a indutância mínima usando a fórmula Loutmin Vout 1 AIr Ioutpeak f VLout Após o cálculo da indutância mínima é necessário selecionar um valor comercial disponível próximo ao resultado obtido Também é importante levar em consideração a corrente de saturação do indutor a qual deve ser maior do que a corrente de pico de saída 12 Capacitor de saída Cout O capacitor de saída é responsável por filtrar as ondulações de tensão na saída do conversor Buck Ele suaviza as variações de tensão e ajuda a fornecer uma saída de tensão mais estável para a carga O dimensionamento adequado do capacitor de saída Cout é determinado pela corrente de carga Ioutavg a frequência de comutação f e a queda de tensão permitida VCout A corrente média de saída pode ser calculada usando a fórmula Ioutavg Pout Vout A queda de tensão permitida VCout geralmente é especificada como uma porcentagem da tensão de saída por exemplo 1 a 2 Com base na frequência de comutação podese determinar a capacitância mínima usando a fórmula Coutmin Ioutavg 1 AIr f VCout Assim como no caso do indutor de saída é importante selecionar um valor comercial disponível próximo ao resultado obtido Além disso é necessário considerar a tensão máxima de ripple permitida VRip para o capacitor que deve ser maior do que a tensão de ripple calculada 2 Projeto físico dos indutores No projeto físico dos indutores para o conversor Buck é necessário calcular o número de espiras o diâmetro do fio e a geometria do núcleo Essas quantidades são determinadas por meio de fórmulas que levam em consideração parâmetros como a indutância mínima a corrente de pico a frequência de comutação e a densidade de fluxo magnético máxima permitida O número de espiras é calculado em relação à indutância e às tensões de entrada e saída O diâmetro do fio é determinado considerando a corrente de pico a resistividade do fio e a dissipação de calor A geometria do núcleo é definida em função da indutância do número de espiras da frequência de comutação e da densidade de fluxo magnético O projeto físico adequado desses componentes é essencial para garantir o desempenho e a eficiência do indutor no conversor Buck 3 Estresses de tensão e corrente nos semicondutores Ao projetar um conversor Buck é importante analisar os estresses de tensão e corrente nos semicondutores como diodos e transistores É necessário verificar se os componentes selecionados podem suportar as tensões e correntes máximas exigidas pelo conversor Para os diodos é necessário considerar a tensão reversa máxima Vrmax e a corrente direta máxima Ifmax Já para os transistores é necessário analisar a tensão de coletoremissor Vcemax e a corrente de coletor máxima Icmax Essas análises ajudam a garantir que os componentes escolhidos sejam capazes de operar dentro das especificações e evitar possíveis danos ou falhas no sistema do conversor Buck 4 Cálculo térmico O cálculo térmico é uma etapa crucial no projeto do conversor Buck pois permite garantir que os componentes do sistema operem dentro dos limites de temperatura seguros A dissipação de calor nos semicondutores indutores e capacitores deve ser cuidadosamente analisada para evitar o superaquecimento dos componentes Para calcular a temperatura dos semicondutores é necessário considerar a potência dissipada Pd e a resistência térmica Rth dos componentes A fórmula básica para o cálculo da temperatura dos semicondutores é Tj Ta Pd Rth Onde Tj é a temperatura do semicondutor Ta é a temperatura ambiente e Pd é a potência dissipada pelos semicondutores A resistência térmica Rth é determinada pela estrutura do componente e suas características de resfriamento 5 Circuito de comando O circuito de comando do conversor Buck é responsável por controlar o chaveamento dos semicondutores e manter a tensão de saída desejada Geralmente utilizase um controlador PWM para gerar os sinais de controle necessários O controlador PWM ajusta o ciclo de trabalho D do sinal para controlar a quantidade de energia transferida do circuito de entrada para o circuito de saída Essa relação é determinada pela fórmula D Vout Vin onde Vout é a tensão de saída desejada e Vin é a tensão de entrada O circuito de comando pode incluir outras funcionalidades como proteção contra curtocircuito e controle de corrente A frequência de chaveamento f também é um fator importante a ser considerado Em resumo o circuito de comando com o uso do controlador PWM assegura um controle preciso e estável do conversor Buck 6 Simulação do estágio de potência A simulação do estágio de potência do conversor Buck é uma etapa importante no processo de projeto Através do uso de software de simulação de circuitos como o LTspice é possível analisar o comportamento do sistema e obter informações valiosas sobre as formas de onda de tensão e corrente em cada componente do conversor Além disso é possível verificar o desempenho do conversor em diferentes condições de carga e variações de parâmetros Durante a simulação é possível medir a tensão de entrada Vin a tensão de saída Vout a corrente de entrada Iin a corrente de saída Iout e outras grandezas relevantes Essas informações permitem avaliar a eficiência do conversor a regulação da tensão de saída as perdas de potência nos componentes e outras características importantes Além das formas de onda e dos valores instantâneos é possível calcular grandezas médias e eficazes utilizando fórmulas adequadas Por exemplo a potência de saída Pout pode ser calculada a partir da tensão de saída e da corrente de saída Pout Vout Iout 7 Layout de PCI O layout da placa de circuito impresso PCI do conversor Buck é uma etapa essencial para a implementação física do projeto O layout deve considerar a disposição dos componentes as trilhas de alimentação e controle a dissipação de calor e a minimização de interferências eletromagnéticas É necessário dimensionar as trilhas adequadamente considerando as correntes máximas e posicionar os componentes de forma a evitar interferências Além disso é importante garantir a dissipação térmica adequada e seguir as boas práticas de layout para obter um desempenho confiável e eficiente do conversor Buck 8 Principais formas de onda experimentais Após a montagem do circuito na PCI é importante realizar medições experimentais das formas de onda de tensão e corrente no conversor Buck Essas medições permitem comparar os resultados obtidos com as simulações teóricas e validar o desempenho real do sistema É possível analisar a eficiência do conversor a regulação da tensão de saída e identificar possíveis problemas ou ajustes necessários no circuito Durante as medições são utilizados osciloscópios multímetros e outros equipamentos de medição adequados As formas de onda registradas fornecem informações valiosas sobre o comportamento do conversor em diferentes condições de operação permitindo realizar ajustes no projeto e otimizar seu desempenho As medições experimentais são essenciais para garantir um funcionamento adequado e confiável do conversor Buck Conclusão Em conclusão o projeto e a implementação de um conversor Buck envolvem diversas etapas importantes Inicialmente é necessário dimensionar os elementos de filtragem como indutores e capacitores levando em consideração os requisitos de tensão potência e frequência O projeto físico dos indutores requer o cálculo dos parâmetros como número de espiras e diâmetro do fio com base na corrente de pico e frequência de comutação A análise dos estresses de tensão e corrente nos semicondutores é crucial para selecionar componentes adequados e garantir sua segurança operacional O cálculo térmico é fundamental para prevenir o superaquecimento dos componentes e assegurar a dissipação adequada de calor O circuito de comando geralmente utilizando um controlador PWM controla o chaveamento do conversor e mantém a tensão de saída dentro dos limites desejados A simulação do estágio de potência permite verificar o comportamento do sistema antes da implementação física fornecendo informações sobre as formas de onda e o desempenho do conversor em diferentes condições O layout da placa de circuito impresso PCI deve considerar a disposição correta dos componentes a dissipação de calor e a minimização de interferências eletromagnéticas Após a implementação física é importante realizar medições experimentais para validar o desempenho real do conversor Buck e comparar os resultados com as simulações teóricas Em suma o projeto de um conversor Buck envolve uma análise detalhada dos elementos de filtragem dimensionamento dos indutores análise dos estresses nos semicondutores cálculo térmico projeto do circuito de comando simulações layout da PCI medições experimentais e comparação entre os resultados obtidos Essas etapas são fundamentais para garantir um conversor eficiente estável e confiável contribuindo para o avanço da tecnologia de conversores CCCC Referências 1 Eletrônica de Potência por Ashfaq Ahmed Editora Érica 2018 Este livro aborda os princípios básicos da eletrônica de potência incluindo conversores CCCC e fornece exemplos e exercícios práticos 2 Conversores Estáticos para Eletrônica de Potência por João Afonso Editora Érica 2017 O livro apresenta os principais conversores estáticos incluindo o conversor Buck com ênfase em sua análise e projeto Também aborda as técnicas de controle utilizadas em conversores CCCC 3 Conversores CCCC Fundamentos e Aplicações por Daniel W Hartmann Editora Novas Edições Acadêmicas 2017 O livro explora os fundamentos teóricos dos conversores CCCC e suas aplicações em sistemas de energia fornecendo exemplos práticos e casos de estudo 4 Conversores CCCC Conceitos Topologias e Aplicações por Adriano Ruseler e Júlio Martins Editora Blucher 2014 Este livro fornece uma visão geral dos conversores CCCC incluindo suas topologias e aplicações em sistemas de energia Também apresenta exemplos de projetos e simulações No text found