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Digital Power com STM32F334 - Conversor Boost Síncrono - Parte III

digital power conversor boost

Olá caro leitor, voltemos a explorar alguns conceitos de digital power utilizando a placa de avaliação fornecida pela STMicroelectronics voltada para conversão de energia utilizando um controlador digital de sinais. No artigo anterior implementamos um poderoso conversor buck para controlar a intensidade de brilho de um LED de potência. Percebemos o quanto pode ser versátil o pequeno STM32F334 com seus periféricos exclusivos, além disso conseguimos estabilizar e prover rápidas respostas utilizando uma compensação ciclo a ciclo do brilho do LED através do comparador interno que tem por capacidade efetuar o trigger de eventos no gerador de PWM de alta resolução HRTIM.

Pois bem, nesta terceira parte da série vamos explorar a "parte de baixo" da nossa Discovery, que contém uma topologia de conversor bem peculiar conhecida por Buck-Boost. Como o nome sugere, essa topologia permite criar tensões de saída maiores ou menores que a componente de entrada. A figura abaixo mostra o esquema elétrico clássico desse tipo de conversor.

Conversor Boost buck clássico
Figura 1: Buck - Boost clássico

O princípio de funcionamento desse tipo de conversor por enquanto foge ao escopo desse artigo, falaremos mais sobre essa topologia na última parte dessa série. O que nos interessa saber neste momento é que o arranjo acima possui um pequeno problema, ele gera uma tensão de saída cuja polaridade é diferente da componente de entrada. Na Discovery, no entanto, o arranjo é modificado de forma a contornar esse problema gerando um circuito Buck-Boost síncrono e não inversor, cujo esquema podemos observar na figura abaixo.

Conversor Boost Buck síncrono
Figura 2: Buck-Boost síncrono

Se observarmos atentamente o circuito  à direita do indutor L3, assumindo que os transistores T4 e T11 (à esquerda de L3) nunca serão acionados, vamos encontrar os transistores T5 e T12. Ainda com um olhar mais preciso, se gerarmos dois sinais de PWM defasados de 180 graus entre si, podemos modelar o circuito resultante como duas chaves, uma que carega o indutor L3, e outra que transfere a energia armazenada para o circuito que termina no conector CN7 (denotado por Vout). Oras, o circuito que descrevemos é uma versão modificada do arranjo mostrado na figura abaixo.

Conversor Boost
Figura 3: Conversor Boost

Sim, isso mesmo! O circuito que destacamos na Discovery pode operar perfeitamente como um conversor Boost,  aquele que produz sempre uma tensão de saída igual ou maior que a tensão de entrada. Tomando as figuras 2 e 3 de referência, relembremos o funcionamento do conversor boost. Em um dado instante de tempo, T5 encontra-se cortado, T12 entra em condução carregando o indutor L3. Ao termino desse tempo de carga os estados modificam-se de forma que T5 entra em condução fazendo com que a energia armazenada em L3 seja transferida para a saída. Com isso uma corrente IL3 provoca o aparecimento de uma tensão VL3, que se soma ao valor da tensão de entrada Vin, ficando armazenado no arranjo de capacitores a partir de C37. Esses serão responsáveis por manter essa tal tensão na saída quando T5 cortar novamente, reiniciando um novo ciclo, assim infinitamente, quando o circuito entrar em estado estacionário. Pelas regras de modelagem utilizando o conceito de charge balance podemos admitir que a tensão de ripple em C37 é nula, logo temos uma componente DC de saída com valor em Volts maior que a da entrada. Mais que isso, sabe-se que quanto mais energia armazenada em L3, mais energia será transferida, maior o valor de VL3 e maior ainda será a tensão de saída. Assim basta variar o ciclo ativo de acionamento de T12 (e T5).

Sabendo agora como reproduzir tal comportamento, podemos pensar em quais recursos o processador da placa Discovery tem para nos oferecer. T12 e T5 estão ligados nos sinais PA10 e 11 respectivamente, sendo essas saídas do gerador de PWM de alta resolução HRTIM. Assim basta que configuremos sua operação para que seus sinais apareçam defasados de 180 graus acrescido de um valor de tempo morto para minimizar o problema de cruzamento de transistores e, assim, obter um preciso controle da tensão de saída. Lembrando que a tensão de saída do conversor boost em estado estacionário e em modo contínuo de condução (nosso interesse no momento) pode ser dada por:

Equação 1
Equação 1

Com essa pequena expressão podemos calcular quanto de ciclo ativo devemos escrever no registradores do HRTIM, podendo ainda aproveitar a unidade de ponto flutuante do processador e obter um controle preciso de tensões de saída.

Porém sabemos que a operação em estado estacionário está longe de ser realidade num conversor desses (ainda mais sendo ajustável). Assim faz-se necessário observar o estado da tensão de saída afim de corrigir em tempo real o ciclo ativo que comanda T5 e T11 sob as mais variadas tensões de saída e condições de carga. Para isso existe o divisor formado pelos resistores R46 e R52, esses servem para mapear a tensão de saida máxima em uma faixa compreendida entre 0 e 3.3V, valor então roteado ao pino PA3 que faz parte de um dos canais do conversor analógico para digital de elevadíssima taxa de amostragem (cerca de 3 milhões de amostradas para cada segundo). Esse tem por função monitorar a tensão de saída, comparando e obtendo a diferença da tensão desejada. Em seguida aplicamos essa diferença a um compensador digital que ira determinar o valor do ciclo ativo corrigido de acordo com a dinâmica de operação do circuito boost, tendo por objetivo torna-lo estável em qualquer condição de carga. 

O objetivo deste artigo foi dar um introdutório do que pretendemos fazer com o conversor existente nessa placa. Fiquem ligados ao próximo artigo (que ja está no forno) onde vamos por literalmente as coisas para funcionar e ver como ficou a dinâmica de operação do nosso circuito Boost. Para o leitor que já acompanha meus posts sobre controle digital aplicado à eletrônica de potência, creio que vá se sentir bem familiarizado, pois realizamos uma experiência similar a essa só que com o Arduino, lembram? Aqui você poderá acessar o artigo do Boost digital com Arduino, e agora a pergunta que fica, que ganhos temos utilizando um processador com os periféricos que se dizem trabalhados para digital power? Veremos isso na próxima semana!

Referências

Manual de hardware da placa discovery STM32F334

ERICKSON, W. Robert - Fundamentals of Power Electronics , 2001

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Felipe NevesRafael Gebert Comentários recentes
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Rafael Gebert
Visitante
Rafael Gebert

Uma coisa que você poderia ter comentado é sobre a sobrecarga no capacitor C no caso da carga R estiver desconectado do circuito boost. Dependendo de quanta energia estiver acumulada no indutor L a tensão pode ir nas alturas e o capacitor (e o próprio mosfet) pode explodir....
Para resolver isso costuma-se adicionar uma etapa com o chamado "Soft-Starter" no qual em um circuito analógico é necessário adicionar um CI dedicado com um circuito monstro na volta mas com sistema digital com microcontrolador basta adicionar um algoritmo para isso! 😉

Felipe Neves
Visitante
Felipe Neves

Bem lembrado Rafael, obrigado pelo comentário, eu vivi esse problema no passado ao desenhar uma fonte boost para um LCD de uma IHM, resultado tensão nas alturas até destruir todo circuito, além do soft-start coloquei um circuito limitador na saída como bug-fix.

Vou aproveitar esse gancho para adicionar o circuito de partida 🙂

Obrigado.

Felipe

Rafael Gebert
Visitante
Rafael Gebert

Mais uma vez nota 10 para o artigo Felipe! Texto claro e objetivo!

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