Para garantir um bom retorno do investimento, estes conversores de energia devem oferecer uma eficiência muito elevada (para complementar a maior eficácia da fonte de luz) e uma longa vida útil (devido aos custos e à sua localização, muitas vezes remota ou inacessível). O conversor LLC, em conjunto com um estágio amplificador de conversão PGC de alta eficiência, oferece a melhor eficiência acima de 100 W, mas também apresenta alguns desafios antes que um design fiável possa ser alcançado.
Um conversor LLC é um conversor de comutação ressonante que utiliza um interruptor de meia-ponte em série com um circuito ressonante. Num conversor LLC, os terminais de alta e baixa tensão são ligados numa configuração de meia-ponte com um transformador através de um condensador em série. A indutância do transformador e do condensador comprime a carga ressonante, enquanto os dois transístores de acionamento da meia-ponte conduzem alternadamente, criando um tempo morto entre cada fase de condução.
Variações nos parâmetros de condução e componentes parasitas nos gates dos MOSFETs de meia-ponte podem resultar em atrasos temporais e possivelmente causar disparos e falhas catastróficas dos MOSFETs, como ilustrado na Figura 1. O risco de disparo é a principal limitação na frequência de comutação dos projetos LLC.
A Power Integrations (PI) resolveu estes problemas com uma nova família de produtos chamada HiperLCS™. Os circuitos integrados HiperLCS incorporam todas as características essenciais e circuitos de proteção necessários para um conversor LLC numa família de circuitos integrados monolíticos capazes de fornecer até 440 W de saída. <sup>1</sup> Os dispositivos incluem dois MOSFET de potência de 530 V, drivers de alta e baixa tensão, um driver LLC, desligamento por subtensão (UV) e sobretensão (OV) e proteção contra subtensão de entrada/saída de tensão.
Nos circuitos integrados HiperLCS, os MOSFET de saída de alta tensão, juntamente com os drivers, o deslocador de nível e o controlador, são acoplados de forma compacta num único bloco de silício. Isto permite um controlo preciso das variações no sistema de acionamento, possibilitando a compensação de todos os elementos parasitas. Além disso, o tempo morto e o ciclo de trabalho são ajustados individualmente para cada componente durante o fabrico, com ciclos de trabalho equilibrados dentro de ±1%.
O controlo preciso do tempo de condução permite que os circuitos integrados HiperLCS mantenham o funcionamento nominal em regime permanente a uma frequência de comutação de 500 kHz e uma frequência máxima de funcionamento de 1 MHz. Esta elevada frequência de comutação é importante porque permite a utilização de condensadores cerâmicos SMD de baixo custo nos circuitos de saída, em vez de condensadores eletrolíticos volumosos. Os condensadores cerâmicos são também preferidos em aplicações de longa duração, como a iluminação por zonas, porque não sofrem de deriva de parâmetros ou falhas prematuras — ao contrário dos condensadores eletrolíticos, que falham frequentemente a temperaturas elevadas.
Uma vantagem adicional da utilização de uma frequência de comutação elevada é a necessidade de transformadores e indutores de saída significativamente mais pequenos, possibilitando a produção de projetos compactos com apenas 11 mm de altura.
O ajuste preciso dos ciclos de trabalho garante a comutação correta entre os dois díodos de saída e entre cada metade do enrolamento secundário do transformador. Assim, não é necessário sobredimensionar os díodos de saída para compensar desequilíbrios de corrente.
Se o ciclo de trabalho se desequilibrar, os díodos de saída devem ser dimensionados para suportar a corrente de pico no pior caso. O transformador também teria de ser concebido para fornecer a corrente mais elevada. Claramente, a eficiência pode ser afetada pelas perdas I²R resultantes destas correntes de pico mais elevadas.
A Figura 6 inclui os elementos essenciais de uma fonte de alimentação completa com o dispositivo de saída HiperLCS. Na entrada CA, um circuito integrado de condensador de descarga X CAPZero™ poupa energia, prevenindo a corrente de fuga CC através de resistências de proteção contra descarga. Um circuito integrado corretor de fator de potência de alta eficiência HiperPFS™ fornece 380 VCC ao estágio de saída do dispositivo HiperLCS. Os dispositivos da família TOPSwitch™-JX fornecem uma fonte de alimentação de espera de muito baixo consumo que serve dois propósitos: em primeiro lugar, permite funções como a comutação remota da fonte de alimentação principal e, em segundo lugar, fornece 12 VCC aos dispositivos HiperPFS e HiperLCS enquanto a fonte de alimentação principal está em modo de espera.
Eficiência:
Os circuitos integrados HiperLCS possuem dois modos de utilização. Para projetos de alto desempenho, os seus circuitos de controlo ressonante proporcionam uma baixa perda de potência, permitindo projetos com uma eficiência superior a 97% a uma frequência de comutação nominal de 66 kHz. Se o custo e o tamanho forem os critérios determinantes do projeto, será necessária uma frequência de comutação mais elevada. Neste caso, a eficiência mantém-se elevada — por exemplo, 96% a 250 kHz, a frequência à qual se atinge a potência máxima.
Quando acoplado ao ponto de entrada de um corrector de factor de potência HiperPFS, como na Figura 6, o projecto atinge níveis de eficiência global superiores a 89% a plena carga.
Modelação:
Os circuitos integrados HiperLCS permitem ao projetista otimizar o projeto definindo parâmetros como as frequências de comutação máxima e mínima e o tempo morto para satisfazer os requisitos de energia do comboio.
A frequência com que a fonte de alimentação entra no modo de pico também pode ser ajustada. Isto permite otimizar o sistema de alimentação para a máxima eficiência, mantendo a regulação em carga nula durante a elevação da tensão de entrada.
Com todas estas opções disponíveis para o projetista, é essencial utilizar uma ferramenta de modelação precisa para simular o comportamento do circuito e automatizar o projeto do transformador e dos indutores. O software Xls Expert Suite versão 8 da Power Integrations, uma ferramenta de design e modelação em tempo real, é totalmente compatível com os projetos HiperLCS. O software oferece capacidades de design completas para a primeira etapa, tanto para o transformador como para o trem de potência ressonante. O modelo de comutação exclusivo do Xls tem uma precisão de até 3%. Isto representa uma melhoria significativa em relação à maioria dos modelos CA simplificados, que têm uma precisão de apenas 15%. A precisão melhorada reduz significativamente o ciclo de projeto, eliminando a necessidade de prototipagem com várias iterações. A Nota de Aplicação AN-55, publicada pela Power Integrations, contém um procedimento passo a passo para utilizar o Xls no desenho de uma aplicação HiperLCS.
Design preciso:
Com comutação de alta corrente a frequências de 500 kHz, é essencial compreender que o posicionamento dos componentes e da cablagem requer uma consideração cuidadosa para alcançar o máximo desempenho. Certos pinos no CI HiperLCS, como o pino FEEDBACK e o pino DEAD-TIME/BURST FREQUENCY, são sensíveis ao ruído e, por isso, requerem desacoplamento. O transformador é uma fonte tanto de sinais di/dt de alta intensidade como de ruído dv/dt. Os sinais di/dt podem acoplar-se magneticamente a circuitos sensíveis, enquanto os sinais dv/dt podem introduzir ruído através de acoplamento eletrostático. O acoplamento de ruído eletrostático pode ser reduzido através da ligação à terra do núcleo do transformador, mas isto não é economicamente viável para reduzir o campo de fuga magnética em torno do transformador sem reduzir drasticamente a sua eficiência. As pistas e os componentes sensíveis (como o acoplador ótico) devem ser posicionados longe do transformador para evitar a captação de ruído.
A ficha técnica do HiperLCS contém informações mais detalhadas sobre como abordar questões de posicionamento de componentes e de design de trilhos. A Figura 7 mostra um exemplo.
O “Relatório de Projeto de Referência RDR-239 da Power Integrations” descreve um projeto completo de HiperLCS adequado para aplicações de iluminação exterior. O conversor gera uma saída de 6,25 A a 24 V com uma eficiência > 95% a plena carga(3). O kit de projeto de referência RDK-239 inclui uma fonte de alimentação, dispositivos de amostragem, um layout de PCB claro, uma folha de dados, um relatório de engenharia abrangente, o software de projeto PI Exper e outra documentação relacionada.
Com o HiperLCS, a Power Integrations simplificou e acelerou o design de conversores LLC de alta eficiência. O dispositivo integrado gere a sincronização e o controlo de interferências, e os exemplos de avaliação incluídos oferecem aos projetistas uma vantagem inicial. A tecnologia HiperLCS é uma nova funcionalidade para o comissionamento de iluminação pública e zonal em LED, utilizando conversores de maior eficiência para proporcionar uma poupança de energia ainda maior.
Referências:
1. LCS700-708 HiperLCS™ Family Integrated LLC Controller, High-Voltage Power MOSFETs and Drivers. Junho de 2011. www.powerint.com
2. Application Note AN-55 HiperLCS Family Design Guide. Junho de 2011. www.powerint.com
3. Reference Design Report for a 150 W LLC High-Voltage DC-DC Resonant Converter Using HiperLCS™ LCS702HG. 13 de setembro de 2011. www.powerint.com
