A disposição dos componentes de conversão de energia na placa de circuito impresso principal exige uma avaliação cuidadosa e introduz fatores adicionais, como a dissipação de calor, a segurança elétrica e a interferência eletromagnética (EMI).
Neste artigo, iremos discutir algumas das decisões que os projetistas devem considerar ao selecionar a fonte de alimentação e os componentes de conversão para placas em diversos sistemas embebidos em contexto industrial.
Fonte de Alimentação: Um Elemento Essencial em Qualquer Projeto.
Os sistemas embebidos estão por toda a parte: controlando eletrodomésticos, rastreando animais de estimação, gerindo processos industriais e recolhendo amostras de solo em planetas distantes. Iniciativas para melhorar o desempenho industrial, como a Indústria 4.0, impulsionaram a Internet Industrial das Coisas (IIoT), acelerando a necessidade de sensores e atuadores de baixo consumo em instalações de produção dispersas e remotas. A monitorização remota das culturas e outras aplicações agrícolas levaram a IoT para o campo e representaram um desafio para os engenheiros, que tiveram de fornecer uma conectividade sem fios adequada e métodos de alimentação de longa duração.
Um dos elementos mais importantes no projeto de um novo produto embebido é determinar a sua fonte de alimentação, pois esta ditará o orçamento total de energia. A quantidade de energia disponível também influenciará algumas das funções e capacidades do produto. Por exemplo, os grandes ecrãs LCD consomem muita energia durante a utilização, tornando o uso de baterias impraticável. Da mesma forma, os protocolos sem fios de alta largura de banda, como o Wi-Fi, também consomem muita energia em comparação com aplicações concebidas para casos de utilização como o Bluetooth® Low Energy.
As aplicações alimentadas por rede elétrica são uma boa solução de fornecimento de energia, mas sofrem de limitações de design, como isolamento, conversão de energia, dissipação de calor e espaço disponível nos armários.
Opções de Alimentação:
A alimentação de um sistema embebido possui diversas características, cada uma com um conjunto específico de atributos técnicos. As fontes de energia, os métodos de conversão, a gestão e a rede de alimentação são as funções discretas essenciais de uma arquitetura energética. Embora os requisitos energéticos de cada projeto possam ser muito diferentes, estes são os elementos mais importantes que os engenheiros devem considerar.
Fontes de Alimentação: Existem vários métodos populares para alimentar um sistema embebido, como redes elétricas, baterias recarregáveis ou não recarregáveis e recolha de energia (com uma ou mais fontes). Precisamos de uma segunda fonte em caso de falha de energia em aplicações com rede elétrica? Se sim, durante quanto tempo deve estar disponível a energia de reserva? Da mesma forma, em aplicações baseadas em baterias, devemos saber a duração desejada entre carregamentos ou substituições de baterias. As técnicas de recolha de energia são um método popular para prolongar a vida útil da bateria através da recarga de manutenção. Para algumas aplicações de ultrabaixo consumo de energia, pode ser possível substituir uma bateria por um supercondensador e um circuito integrado de gestão de energia com recolha de energia (EH PMIC). Para os sensores IIdC, a recolha de energia solar, térmica ou por vibração são os métodos preferenciais.
Conversão de energia: Que tensões serão necessárias no sistema integrado? Uma única fonte de 3,3 VCC é suficiente ou necessitamos de pistas adicionais (por exemplo, 1,8 ou 5 VCC) para dispositivos ou periféricos específicos? Quais são as especificações de consumo de corrente em cada pista de alimentação? Temos dados sobre os perfis de consumo? Os sistemas alimentados pela rede elétrica exigirão pelo menos um estágio de conversão de tensão (por exemplo, de 240 VCA para 3,3 VCC). Um conversor CC/CC pode fornecer pistas CC adicionais para reduzir este valor de 3,3 VCC para 1,8 VCC ou aumentá-lo para 5 VCC.
Rede de alimentação: Uma aplicação embarcada mais complexa pode exigir uma rede de alimentação (PDN), como as pistas de múltiplas tensões discutidas anteriormente. A distribuição de energia numa placa de circuito impresso pode exigir conhecimentos especializados, uma vez que alguns circuitos integrados são particularmente suscetíveis a EMIs e até mesmo a transitórios de alta dV/dt. Os projetistas também precisam de considerar se devem posicionar os conversores CC/CC perto do ponto de carga. Além disso, alguns circuitos integrados sofisticados podem exigir pistas de alimentação sequenciais.
Limitações do design da alimentação: Alguns produtos embarcados, como os dispositivos de segurança médica, podem estar sujeitos a regulamentos. O isolamento é um fator crucial na seleção de um conversor CA/CC ou CC/CC. Para aplicações médicas, isto é abordado na norma de segurança internacionalmente reconhecida IEC 60601. A eficiência energética é também uma característica regulamentada. Por exemplo, as normas de Nível VI estipulam que o consumo de energia em vazio de uma fonte de alimentação deve ser inferior a 0,3 W. Os conversores e as fontes de alimentação devem também estar em conformidade com as normas de compatibilidade eletromagnética (EMC) e interferência eletromagnética (EMI).
Gestão de energia e especificações técnicas: Se o produto incluir uma bateria recarregável, um circuito integrado de gestão de energia (PMIC) monitoriza o estado de carga (SOC) da bateria e define a corrente de carregamento em conformidade. O PMIC também gere o desempenho de descarga da bateria e determina quando isolar a carga para evitar danos e um funcionamento errático do sistema. A comunicação entre o PMIC e o conversor com o microcontrolador principal utiliza normalmente os protocolos PMBus, SPI ou I²C.
Implementação da fonte de alimentação: A equipa de engenharia deve selecionar um módulo ou componente integrado para a maioria das aplicações (alguns dos quais discutiremos na secção seguinte). No entanto, uma abordagem com componentes discretos pode ser viável se a equipa não conseguir satisfazer as tensões de alimentação necessárias com componentes disponíveis comercialmente. Continue a ler para saber mais sobre a resolução de problemas no projeto da fonte de alimentação.
Componentes comuns das fontes de alimentação:
Um exemplo de uma fonte de alimentação CA/CC é a série PBO-15C de saída única da CUI Inc. (Figura 1). A série PBO-15C de 15 W está encapsulada num encapsulamento SIP (Simple In-Line Package) de estrutura aberta para montagem vertical ou horizontal em placas de circuito impresso. Esta linha aceita a gama de entrada comum de 85 a 305 VCA e está disponível para tensões nominais populares (de 3,3 a 24 VCC). A saída é isolada galvanicamente da entrada com uma classificação de até 3000 VCA por minuto. A série PBO pode ser utilizada em aplicações industriais e de casas inteligentes; também cumpre os requisitos da norma IEC 62368 e é um projeto de Classe II (não requer ligação à terra).
Figura 1: A série PBO-15C de fontes de alimentação CA/CC de saída única de 15 W da CUI Inc. pode ser utilizada em aplicações industriais e de casas inteligentes. (Fonte: CUI Inc.)
A linha de produtos também cumpre as normas EN55032 para imunidade a EMI e EMC por radiação e condução. A regulação de linha — que indica como a tensão de saída varia quando a entrada muda — é melhor do que +/-0,5% em plena carga. A regulação de carga — que indica o efeito das alterações de carga na tensão de saída — é de +/-1,0% para uma carga de 0 a 100% no modelo de 5 VCC. O consumo de energia em vazio a 230 VCA é de 0,25 W e a eficiência energética é tipicamente superior a 82% para os modelos com saída de 9 e 24 VCC.
Para aplicações alimentadas por bateria ou que já utilizam um conversor CA/CC, um regulador linear pode oferecer um método compacto, prático e de baixo custo para fornecer uma alimentação CC regulada. O L78L12ACZ-TR é um exemplo de um regulador linear de três terminais. O L78L12 é construído num encapsulamento TO-92-3 para montagem em furo passante e fornece uma saída regulada de 12 VCC e até 100 mA a partir de uma tensão de entrada entre 14 e 35 VCC. A série de reguladores L78L oferece todas as tensões nominais comuns de 3,3 a 24 VCC. O regulador consome uma corrente em vazio de 6,5 mA. O design simples dos reguladores lineares proporciona características de baixo ruído, tornando-os adequados para aplicações onde o ruído de condução pode afetar o desempenho do sistema (por exemplo, conversão analógico-digital precisa).
Outro tipo de regulador linear de baixo ruído é o regulador de baixa queda de tensão (LDO), como o ADP151 da Analog Devices, um regulador linear de ruído ultrabaixo de 200 mA. Um LDO tem uma diferença muito pequena entre as suas tensões de saída e de entrada.
O ADP151 tem uma tensão de queda de 140 mV, em comparação com os 2 V do L78L12, que já abordámos. O ADP151 pode fornecer até 200 mA com uma tensão de entrada de 2,2 a 5,5 VCC e é uma ótima opção para aplicações de conversores analógico-digitais alimentados por bateria e de baixo ruído, bem como para aplicações de RF sensíveis ao ruído. A corrente quiescente (sem carga) é de apenas 10 μA. A Figura 2 mostra a arquitetura interna do ADP151, com um amplificador operacional, uma referência de tensão interna e um transístor de passagem PMOS.
Figura 2: Arquitetura interna do regulador linear de ultrabaixo ruído ADP151 da Analog Devices. (Fonte: Analog Devices)
Os reguladores lineares são extremamente populares, mas não conseguem fornecer uma tensão de saída superior à tensão de entrada. Dependendo da topologia (ou seja, de como ocorre a conversão), os conversores CC/CC comutados podem atingir este objetivo, fornecendo uma tensão de saída inferior à tensão de entrada. Os conversores CC/CC são um método prático, económico e compacto para obter tensões de alimentação para um projeto integrado. Existem diversas topologias de conversores CC/CC. Alguns oferecem isolamento galvânico entre a entrada e a saída, enquanto outros não. A maioria baseia-se em, ou são variações de, dois tipos: conversores buck e conversores boost.
Um exemplo de um conversor CC/CC compacto com uma única saída é a série IZB da XP Power (Figura 3). Trata-se de conversores isolados e regulados de 3 W encapsulados num pacote SIP8 padrão da indústria. Estão disponíveis em diversas combinações de tensão de entrada (2:1) e de saída, com valores nominais típicos que variam entre 3,3 e 24 VDC. A eficiência varia normalmente entre 68% a 84%, dependendo do dispositivo específico. A regulação de linha é superior a 0,5% para uma variação de 1% na tensão de entrada, e a regulação de carga é inferior a 1% até à carga máxima. A frequência de comutação é de 250 kHz em todas as condições de carga.
Imagem 3: A série IZB de conversores CC/CC isolados da XP Power em encapsulamento SIP8. (Fonte: XP Power)
Outro conversor CC/CC comutado é a série Traco TSR 1.5E sem isolamento (Figura 4). Pode fornecer até 1,5 A a partir de uma entrada de 7 a 36 VCC (15 a 36 VCC para o modelo com saída de 12 V), e estão disponíveis modelos para 3,3, 5 e 12 VCC. A eficiência é normalmente de 95% em toda a gama de tensão.
Figura 4: Os conversores CC/CC TSR 1.5 E da Traco são compactos e altamente eficientes, ideais para aplicações de ponto de recarga. (Fonte: Traco)
Como mencionado anteriormente, alguns dispositivos portáteis alimentados por bateria requerem circuitos para carregar a bateria e fornecer uma tensão de alimentação regulada. Para este tipo de circuitos, uma possível solução é o MAX77654 da Maxim Integrated, um PMIC altamente integrado e de ultrabaixo consumo de energia. O MAX77654 é um conversor buck-boost SIMO (single-inductor, multiple-output) de três saídas, capaz de fornecer saídas programáveis de 0,8 a 5,5 VCC. Estão também disponíveis saídas LDO independentes e duplas de 100 mA.
O PMIC MAX77654 está otimizado para pequenas baterias de iões de lítio com correntes de carga programáveis e características avançadas de monitorização de baterias, como a medição de temperatura utilizando os métodos de regulação térmica JEITA padrão da indústria.
Escolha de Opções de Alimentação para Sistemas Embarcados:
Neste breve artigo, discutimos alguns dos fatores mais importantes a considerar quando se decide como fornecer energia em sistemas embebidos. O tipo de aplicação e os casos de utilização pretendidos determinarão os requisitos de tensão e corrente. Como vimos, existem outros elementos técnicos a considerar, como a eficiência, o espaço disponível na placa e a comunicação com o processador principal. Mais recursos técnicos sobre a gestão de fontes de alimentação podem ser encontrados no site da Mouser, aqui
AUTOR: Mark Patrick, Mouser Electronics
