Utilizando microcontroladores para controle de conversor DC-DC personalizado - Parte 1

Conversor DC-DC
Este post faz parte da série Utilizando microcontroladores para controle de conversor DC-DC personalizado. Leia também os outros posts da série:

Boas caros leitores, hoje vamos tratar de um assunto interessante, sobre o porquê de utilizar um microcontrolador para controlar um conversor DC-DC. Não, você não entendeu errado. Quando falamos de sistemas embarcados é comum que alguns de nós, mais focados no desenvolvimento de firmware, esqueçamos que o sistema embarcado que temos em mão tem outros tantos estágios igualmente críticos e interessantes no seu projeto, digo, das fontes. Geralmente esse bloco costuma ficar a cargo de projetistas de hardware sobrando pouco ou nada a quem trabalha provendo linhas de código. Mas essa linha tênue entre hardware software se torna crítica quando o projeto torna-se devidamente a desenvolver uma fonte dotada de inteligência embarcada, ou seja, até que ponto vale investir em um circuito integrado específico como um valor de flexibilidade de projeto (corrente, tensão, tipo de modulação e chaveamento)?

 

Para ilustrar tal problema, vamos considerar um cenário onde queremos projetar uma fonte em que sua tensão de entrada varia de 9 até 12V e, deseja-se, uma tensão de saída fixa de 5V. Indo pelo caminho trivial o projetista de hardware tende primeiramente a buscar um circuito controlador de fontes chaveadas com o qual tenha mais facilidade de lidar. Escolhemos então um derivado da família simple switcher, um LM2596, cujo o diagrama de blocos é mostrado abaixo:

 

Conversor DC-DC: Diagrama de blocos do LM2596
Figura 1: Diagrama de blocos do LM2596

 

Esse circuito controlador possui tudo que se faz necessário para controlar uma fonte comutada baseada na topologia buck, bastando para isso que o projetista se encarregue de calcular o indutor e o capacitor de saída, que para o circuito  de uma fonte buck é trivial. Consultando o datasheet ou, chegando por definição as Equações abaixo podemos projetar uma fonte buck completa:

 

Equações base de uma fonte buck
Figura 2: Equações base de uma fonte buck

 

Obviamente essas são equações simplificadas, mais variáveis deverão ser adicionadas para melhor modelagem da fonte em equilíbrio, porém essas aproximações já fornecem bons valores de partida de componentes para quem deseja efetuar um ajuste fino.

 

Logo, uma vez definidos os componentes, se a etapa de simulação não foi pulada (amigos de hardware, por favor, não furem a etapa de simulação dos seus circuitos), temos a fonte montada, testada, e funcional, problema resolvido.

 

Mesmo? Agora imaginemos um sistema de controle de iluminação de LEDS, onde estes estejam conectados em série e sua luminosidade deva se manter o mais constante possível (uma matriz de diodos de um cromatógrafo por exemplo), talvez precisemos de um conversor buck com parâmetros mais específicos, além do comutador, um estágio de compensação deverá ser adicionado. É nesse ponto que começam os problemas, os circuitos integrados, como o descrito acima, não fornecem a nós projetistas acesso ao seu loop de compensação, tampouco à configuração do gerador de PWM ou dos transistores de chaveamento.

 

Então, aquele leitor mais curioso pensa um pouco, temos microcontroladores com recursos em abundância para controle, MOSFETS externos como gate lógico (possuem um VGS-Threshold tão baixo que podem ser levados à comutação sendo acionados diretamente pelo microcontrolador), além de formas de implementar compensadores por software como os métodos já discutidos aqui (PID, 2p2z e cálculo numérico). Então, poderia construir um conversor DC-DC utilizando o microcontrolador que tenho em bancada? A resposta é sim!

 

Para tal vamos considerar alguns aspectos práticos para projetar um conversor DC-DC com controle digital.

 

O primeiro deles é a seleção dos componentes externos, vejam que embora o controlador do conversor seja feito por firmware, a topologia em si não muda, logo as equações canônicas para coversores buck, boostflyback continuam valendo. Além disso, ganha-se a possibilidade de escolher a máxima corrente de trabalho uma vez que os semicondutores são externos.

 

Como apresentando no webinar sobre controle PID digitalaspectos pra escolha de parâmetros como taxa de amostragem, continuam valendo, ou seja, devemos trabalhar os elos de realimentação do nosso sistema (sensores de tensão de saída e corrente) de forma que tenham sua largura de banda limitada eliminando problemas como perda de pontos de amostragem (aliasing); além desse, como trabalhamos com modulação por largura de pulsos, a escolha da frequência de chaveamento deve ser escolhida de forma cautelosa, pois dela dois fatores serão críticos. O primeiro, resolução do PWM, pois a frequência da portadora deste é sempre um múltiplo inteiro do sistema de clocking. Logo um microcontrolador de 8 bits que rode a 8 MHz, não poderá trabalhar com um PWM rodando a 80 KHz; uma escolha que deixo como ponto de partida é uma resolução de 10 bits e frequências de chaveamento de 67 KHz ou mais (os elementos de armazenamento, capacitores e indutores são incrivelmente reduzidos em tamanho nessa faixa de frequência). Além da resolução, tal valor deve ser escolhido de forma que o processador tenha carga de processamento tal que seja permitido processar o loop de controle e realizar tarefas de background (comunicação via porta série por exemplo).

 

Com base nos pontos levantados, podemos tomar um conversor DC-DC digital, como tendo o seguinte diagrama de blocos abaixo:

 

Exemplo de conversor DC-DC digital
Figura 3: Exemplo de conversor DC-DC digital

 

Logo à frente na sessão power train, temos os elementos triviais de um conversor DC-DC tipo buck, e as chaves comandadas pelo circuito de controle digital. Um valor de referência é comparado com o sensor de tensão de saída, a diferença é digitalizada (considerando um sistema sem aliasing) e o bloco control law (que parece ser bem comum em controle digital) roda o algoritmo de controle. E aqui está a grande vantagem de uma fonte digital, o tipo de controle pode ser alterado simplesmente reprogramando a memória do microocontrolador. Outros parâmetros como frequência de chaveamento e tensão de saída também podem ser reprogramados ou ajustados em tempo real através de uma porta série, além disso diversos mecanismos de proteção podem ser adicionados ao controle, tornando-o robusto.

 

Assim, podemos concluir que muitas vezes observando estágios de um sistema embarcado que chama pouca atenção como uma fonte, se observado com olhos de projetistas de hardware pela turma que embarca software, podem fornecer soluções interessantes para contorno de gargalos ou mesmo flexibilização de um determinado módulo ou produto. Poderíamos, então, derivar os chamados conversores definidos por software? É algo a se pensar...

 

Na segunda parte desse assunto, vamos focar em um exemplo prático de um conversor DC-DC definido em firmware. Então é isso meus caros, até a próxima!

 

 

Referências

 

STARR, Gregory P. , Introduction to digital control - 2000

RASHID, Muhammad, Power electronics, 2003

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Felipe Neves
Desenvolvedor de sistemas embarcados apaixonado pelo que faz, divide seu tempo entre trabalhar no Venturus desenvolvendo firmware de tudo quanto é coisa, na Aeolus Robotics se envolvendo com o que há de mais legal em robótica e na Overlay Tech desenvolvendo algumas coisas bem legais para o campo de motion control. Possui mestrado em engenharia elétrica pela Poli-USP e possui interesse em tópicos como: Software embarcado, sistemas de tempo real, controle, robótica móvel e manipuladores, Linux embedded e quase qualquer coisa por onde passe um elétron.

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Rennan Paloschi
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Rennan Paloschi

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Josué
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Josué

Bom dia estou desenvolvendo um inversor de tensão, já consegui porem devido a falta de realimentação a tensão esta caindo 35%, de 127v cai para 80v com uma carga de 35 WATTAS

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[…] trata da utilização de microcontroladores para implementar conversores DC-DC. No artigo anterior [1], falamos de aspectos gerais para uso de um processador digital para controlar uma fonte chaveada […]