Fontes Digitais

Fontes Digitais

A opção natural para os projetos de equipamentos atuais é a fonte de alimentação digital. Se bem que elas recebam essa denominação, as fontes que encontramos nos equipamentos e que podemos usar não podem ser consideradas totalmente digitais, pois existem ainda etapas analógicas. Até que ponto uma fonte é digital, e quais as vantagens de se substituir certas etapas analógicas por digitais é o que veremos neste artigo.

Newton C. Braga

Quando se fala em fonte de alimentação digital, logo temos em mente a arquitetura que faz uso de um transistor de chaveamento, excitando um transformador e tendo um circuito de realimentação que controla via PWM esse mesmo transistor.

Normalmente um microprocessador ou outro circuito apropriado é usado para fazer o controle do transistor e, portanto, dos sinais que ele aplica ao transformador, processando o sinal de realimentação que permite regular a tensão de saída.

Assim, conforme mostra a figura 1, embora essa estrutura indique que a fonte é digital, ela tem de digital apenas o microprocessador em sua estrutura básica.

Nessas fontes a retificação e filtragem da tensão do secundário do transformador são feitas de forma analógica com resistores e capacitores, eventualmente um transistor e diodo zener ou ainda um regulador linear.

O circuito que realimenta o controle PWM também é analógico, amostrando a tensão de saída e através de uma rede resistiva controlando um LED de um acoplador

óptico.

Finalmente, em alguns circuitos, o próprio sinal de controle para o PWM é analógico, o que nos leva a uma estrutura que, na verdade, é um misto de analógico com digital e não simplesmente uma fonte digital, conforme ilustra a figura 2.

No entanto, as fontes estão se tornando mais e mais digitais à medida que as novas tecnologias permitem obter componentes mais eficientes para isso, e que as aplicações passam a exigir essa eficiência.

Dessa forma, quando tratamos de uma fonte ¨digital¨ devemos não pensar somente no seu desempenho, mas também num eventual controle externo. Isso nos leva a imaginar duas categorias de circuitos para uma fonte digital.

Controle e Gerenciamento

Quando se projeta uma fonte de alimentação deve-se pensar em dois blocos de funções que ela deve ter.

Controle

Em um primeiro caso devemos pensar os circuitos que fazem o controle interno da fonte, ou seja, que determinam a regulagem da tensão, uma eventual compensação de comutação quando a corrente da carga varia, entrada no estado de baixo consumo, detecção de falhas, etc.

Portanto, conforme exibe a figura 3, utiliza-se para essa finalidade um circuito integrado que tem recursos para as funções que se deseja implementar na fonte.

Na configuração básica, a tensão de saída que vem de um circuito analógico é amostrada e usada para excitar um comparador de tensão que possui uma referência DC para a saída dessa fonte. Essa referência é utilizada para determinar qual deve ser a tensão de saída do circuito.

Esse comparador (ou amplificador de erro) envia o seu sinal para o PWM para controlar em tempo real a comutação do elemento de potência e, assim, a tensão de saída.

Nas aplicações comuns é preciso tomar cuidado para se balancear a resposta dinâmica desse circuito, o que exige o uso de componentes externos ao CI como resistores e capacitores. Também incluimos nesse grupo de circuitos os filtros, que devem ser usados na entrada e na saída da fonte.

Esses circuitos partem normalmente de configurações analógias comuns utilizados filtros RC. Como exemplo podemos citar os filtros de entrada que evitam a propagação de EMI gerada no circuito e também a entrada de transientes.

Citamos ainda os filtros RC de saída que eliminam os ripples, produzindo assim uma tensão contínua de saída pura de acordo com as exigências do projeto.

No entanto, a tendência é de que esses circuitos de controle também se tornem totalmente digitais.

Podemos lembrar o exemplo do uso de microcontroladores e conversores ADC que podem tomar a tensão de referência da saída de uma fonte, na forma analógica, e converter seu valor para a forma digital. Esse sinal digital é, então, aplicado a um microcontrolador que realiza cálculos no sentido de fazer a correção do sinal PWM tanto em termos de ciclo ativo quanto em termos de momento de aplicação de modo a se obter a saída ideal, veja a figura 4.

Exemplificando, quando uma corrente na carga varia, não basta apenas fazer a correção de seu valor em termos de intensidade. O instante em que isso deve ser feito também precisa ser levado em conta. Em uma fonte com recursos unicamente analógicos este tipo de ação é problemática.

Com um microcontrolador pode-se não só fazer a correção de diversos parâmetros, como também considerar diversas condições diferentes em que isso seja feito, obtendo-se maior ren- dimento e mais segurança para a fonte e os circuitos alimentados.

Na fontes modernas existe uma EEPROM em que todos os seus parâmetros de controle podem ser armazenados, e depois carregados na RAM quando a fonte entrar em funcionamento.

Outra vantagem do controle totalmente digital está no fato de que ele também pode ser programado para compensar de forma muito mais dinâmica as flutuações da tensão de entrada.

Um problema comum que ocorre em certas topologias de fontes chaveadas, como os conversores tipo buck, é devido à presença de dois transistores complementares que devem conduzir alternadamente, observe a figura 5.

Esses transistores são comandados por sinais retangulares em oposição de fase, conforme mostra a mesma figura. Isso significa que no momento em que um transistor é desligado, o outro é ligado.

Como os transistores precisam de um certo tempo para desligar, pode ocorrer que num curto intervalo de tempo quando um transistor ainda não desligou, o outro já entrou em condução, e temos a condução simultânea e com isso