Introdução ao DC multifásico

A conversão multifásica DC-DC pode melhorar significativamente o desempenho de um regulador de comutação redutor em aplicações de alta corrente. Neste artigo, explicarei a estrutura e a funcionalidade dos conversores buck multifásicos e, em um artigo futuro, apresentarei os prós e os contras para ajudá-lo a decidir quais projetos de design podem se beneficiar de uma regulação multifásica em vez de monofásica. esquema.

Primeiro, vamos revisar brevemente os fundamentos da conversão DC-DC.

O circuito a seguir (Figura 1) representa um regulador de comutação abaixador rudimentar (também chamado de conversor buck):

Ao contrário dos reguladores lineares, os conversores CC-CC podem alcançar alta eficiência explorando os benefícios do “modo de comutação” – ou seja, fluxo de corrente ligado versus desligado. Em vez de dissipar energia através de um transistor funcionando como um resistor variável, como é o caso na regulação linear, o transistor de um conversor DC-DC é totalmente ligado ou totalmente desligado e, conseqüentemente, evita a operação na região intermediária de baixa eficiência.

A tensão comutada é filtrada em uma tensão constante e reduzida pelo circuito indutor-capacitor no lado de saída do transistor. Quando o transistor está conduzindo, a corrente flui para a carga através do indutor. Por outro lado, quando o transistor é desligado, o indutor mantém o fluxo de corrente (lembre-se que sua corrente não pode mudar instantaneamente). Neste caso, o capacitor de saída fornece um reservatório de carga para a corrente de carga necessária. A regulação é realizada por meio de um circuito de feedback que ajusta a tensão de saída modulando a largura do pulso do sinal de controle aplicado à porta do transistor, variando assim a relação entre a duração do estado ligado e a duração do estado desligado.

A seguir, vejamos o diagrama abaixo na Figura 2, retirado da folha de dados dos conversores Buck multifásicos DA9213/14/15 da Renesas.

Esses dispositivos podem fornecer até 20 A e são destinados a aplicações de baixa tensão e alta corrente, como geração de barramentos de energia para microprocessadores em smartphones e tablets. Gosto deste diagrama porque mostra a estrutura de um conversor buck multifásico sem transmitir uma ideia simplificada do que é necessário para implementar a conversão multifásica em uma aplicação da vida real.

À direita, você vê quatro pares de transistores de efeito de campo (FETs) e quatro indutores. Um par de FETs funciona como um driver de meia ponte que controla a corrente através de um indutor, e cada subcircuito driver de meia ponte mais indutor é uma fase (ou seja, o núcleo de um conversor buck separado). As fases operam em paralelo e cooperam para fornecer corrente à carga (a corrente de carga no diagrama é representada pela fonte de corrente à direita dos limites de saída).

Embora o diagrama mostre quatro capacitores de saída separados, todos esses capacitores estão conectados em paralelo; em outras palavras, a capacitância de saída é fisicamente dividida, mas eletricamente unida. Isto também se aplica à capacitância de entrada. Assim, as fases não compartilham indutância, mas compartilham capacitância de entrada e saída.

A conversão multifásica otimizada é um procedimento complexo e você pode ver no diagrama que o DA9213 inclui vários circuitos de controle. A interface serial permite que um microcontrolador leia e grave dados relacionados a:

Um aspecto importante da conversão multifásica é a temporização intercalada aplicada às fases e, na verdade, os conversores multifásicos também são chamados de conversores intercalados. A intercalação ativa as fases de forma cíclica, aplicando uma sequência de pulsos de controle aos transistores de fase.

O esquema a seguir na Figura 3, de um artigo de pesquisa escrito por Reyes-Portillo et al. e publicado no World Electric Vehicle Journal, descreve uma topologia buck multifásica assíncrona projetada para carregamento de baterias EV.

Além disso, os autores fornecem o seguinte diagrama de temporização (Figura 4) para as quatro fases.

Os sinais de controle para os transistores representados como interruptores Q1 a Q4 no esquema e implementados como transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs) criam um ciclo onde as fases “se revezam” entrando no estado ligado. Isto é o que significa intercalação. O esquema específico mostrado acima inclui sobreposição fase a fase nos sinais de controle, mas a sobreposição não é necessária.