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Calculadora de design do Buck Converter

Projete um conversor síncrono (redutor): calcule o ciclo de trabalho, o valor do indutor, o capacitor de saída, o capacitor de entrada e a eficiência teórica.

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Fórmula

D = \frac{V_{out}}{V_{in}},\quad L_{min} = \frac{(V_{in}-V_{out})\cdot D}{f_{sw}\cdot \Delta I_L}

Referência: Erickson & Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics" 3rd ed.

DDuty cycle
VᵢₙInput voltage (V)
VₒᵤₜOutput voltage (V)
fₛwSwitching frequency (Hz)
ΔILInductor current ripple (A)

Como Funciona

Os conversores Buck são uma topologia fundamental no projeto de fonte de alimentação em modo de comutação, permitindo uma redução eficiente da tensão DC por meio da modulação por largura de pulso (PWM). O princípio básico envolve a comutação de um MOSFET de alto lado em alta frequência, “cortando” efetivamente a tensão de entrada para criar uma tensão média de saída mais baixa. Durante o funcionamento do interruptor, a energia é transferida para o indutor, que atua como um elemento de armazenamento de energia. Os principais parâmetros de projeto incluem o ciclo de trabalho (D), que determina a redução de tensão, a frequência de comutação (fsw) e os valores do indutor e do capacitor que controlam a ondulação da tensão de saída e a flutuação da corrente. A eficiência do conversor decorre da comutação quase sem perdas de MOSFETs de potência e das perdas resistivas mínimas nos componentes magnéticos e capacitivos. As principais considerações de projeto incluem selecionar componentes com classificações de tensão e corrente apropriadas, gerenciar perdas de comutação e garantir um controle de feedback estável para manter a tensão de saída consistente sob condições de carga variáveis.

Exemplo Resolvido

Considere um design de conversor Buck com Vin = 12V, Vout desejado = 5V, corrente de carga máxima de 2A e frequência de comutação de 100 kHz. Primeiro, calcule o ciclo de trabalho: D = 5V/12V = 0,417 ou 41,7%. Para o valor mínimo do indutor, use a fórmula Lmin = (12V-5V) ·0,417/ (100 kHz·Δil), assumindo uma ondulação de corrente de 30%. Com ΔIL = 0,6A, Lmin calcula para 47 µH. Para determinar a capacitância de saída, suponha uma ondulação de tensão de 50 mV: Cout = 0,6A/ (8,100 kHz · 0,05V) ≈ 150 µF. O cálculo da capacitância de entrada produz Cin = 2A · 0,417 · (1-0,417)/(100 kHz · 0,05 V) ≈ 22 µF.

Dicas Práticas

  • Sempre use capacitores de baixo ESR para minimizar a ondulação e melhorar a resposta transitória
  • Inclua uma rede de compensação no circuito de feedback para uma regulação estável da tensão
  • Considere usar diodos Schottky para reduzir as perdas de comutação

Erros Comuns

  • Negligenciando a corrente de saturação do indutor ao selecionar o tamanho do núcleo
  • Negligenciando as resistências parasitárias na seleção de componentes
  • Gerenciamento térmico inadequado que leva a problemas de confiabilidade

Perguntas Frequentes

A eficiência depende das perdas de comutação do MOSFET, da resistência DC do indutor, da tensão direta do diodo e da qualidade do componente. Os conversores modernos podem atingir 90-95% de eficiência.
Frequências mais altas permitem componentes magnéticos menores, mas aumentam as perdas de comutação. As frequências típicas variam de 100 kHz a 500 kHz, dependendo da aplicação.
Sim, mas você precisará de componentes cuidadosamente selecionados com as classificações térmicas e de corrente apropriadas. Os MOSFETs paralelos podem ajudar a distribuir o manuseio de energia.
A baixa compensação do circuito de feedback, a capacitância inadequada e variações significativas da corrente de carga podem causar instabilidade de tensão nos conversores Buck.
Implemente o controle do modo de corrente, use resistores de detecção de corrente e adicione circuitos de proteção, como proteção de pé-de-cabra e limitação de corrente.

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