Este artigo investiga os conceitos básicos de conversão de energia e apresenta as topologias mais utilizadas para projetos discretos e modulares. O artigo aborda também aspetos fundamentais do isolamento e regulação de tensão.
A conversão de energia está em todo o lado.
Encontrará aplicações de conversão de energia em quase todas as tecnologias que utiliza. Considere o seu telemóvel, por exemplo. Provavelmente, possui uma bateria de lítio com uma tensão nominal de saída de 3,7 V. Os inúmeros circuitos integrados (CIs) do telefone e as aplicações associadas podem operar a diferentes níveis de tensão, sendo os mais comuns 1,8 V, 3,3 V ou 5,0 V. As aplicações de conversão de energia captam os 3,7 V e transformam-nos no nível de tensão apropriado, quer seja acima ou abaixo da tensão nominal de saída da bateria.
Outro exemplo semelhante é o carregador USB portátil, simples, mas popular, que nos ajuda a recarregar os nossos dispositivos eletrónicos em qualquer lugar. Utiliza também uma única célula de bateria de lítio tipo pouch que fornece 3,7 V e um conversor CC/CC que eleva a saída para fornecer a saída USB padrão de 5 V.
O seu altifalante, TV, computador portátil e aparelhos inteligentes convertem a tensão da fonte de alimentação para o nível apropriado para os seus circuitos internos.
Os métodos de conversão CA/CC e CC/CC incluem duas técnicas distintas: linear e comutada. O método linear era comummente utilizado em equipamentos alimentados pela rede elétrica, mas exigia componentes volumosos, como transformadores e grandes condensadores de filtragem. Os reguladores lineares ainda são utilizados em algumas tarefas especializadas de conversão CC/CC, mas hoje em dia, a maioria das aplicações emprega um método de regulação por comutação.
O método de conversão CC/CC por comutação baseia-se no armazenamento de energia num indutor ou condensador. Ao contrário do método linear, a tensão de saída fornecida por um regulador de comutação pode ser superior ou inferior à tensão de entrada. A Figura 1 ilustra o conceito básico de um conversor CC/CC por comutação.
Figura 1: Diagrama de blocos funcional de um conversor CC/CC (fonte: Murata)
Um sinal PWM é aplicado a um dispositivo semicondutor como um circuito de comutação. O ciclo de trabalho (a relação entre o sinal de marcação e o sinal de espaço) e a frequência do sinal PWM de entrada afetam diretamente a eficiência de conversão, a regulação de carga e a tensão de saída. Essencialmente, o sinal PWM e o semicondutor de comutação criam um circuito de bomba de carga para armazenar energia num indutor ou condensador durante o ciclo ON. Esta energia é libertada e retificada durante o período OFF do sinal PWM. A regulação da tensão de saída é aplicada ao sinal PWM. O isolamento entre a entrada e a saída é obtido através de um transformador — como elemento indutivo — e de um condensador.
Ao longo dos anos, têm-se popularizado diversas arquiteturas ou topologias de conversores CC/CC, que explicaremos de forma breve.
Topologias dos conversores CC/CC mais comuns
O conversor buck (ou conversor abaixador)
Uma topologia de conversor buck assíncrono converte uma tensão de entrada numa tensão de saída mais baixa (por exemplo, de 5 VCC para 3,3 VCC). A Figura 2 mostra uma explicação simplificada do circuito.
Imagem 2: A principal função de um conversor abaixador (fonte: Murata)
Na Figura 2, SW1 é normalmente um transístor acionado por um sinal PWM, e SW2 é um díodo. Quando SW1 está fechado ou LIGADO, a corrente flui através do indutor e a energia é armazenada. Quando SW1 está DESLIGADO, a energia é libertada à medida que a corrente flui através do díodo, representado por SW2, fornecendo uma tensão de saída.
A tensão de saída do conversor buck depende do duty cycle do sinal PWM de comutação, como se pode observar na Figura 3.
Figura 3: Efeito do duty cycle na tensão de saída (fonte: Murata)
Numa topologia de conversor buck síncrono, o díodo é substituído por outro elemento de comutação, normalmente um FET. É acionado por um sinal de comutação em oposição de fase. Os FET oferecem geralmente uma menor resistência de polarização direta, o que reduz as perdas.
O conversor boost (ou conversor elevador):
Como o próprio nome sugere, num conversor boost a tensão de saída é superior à tensão de entrada. O grau de aumento depende de vários fatores, mas para a maioria das aplicações práticas, o máximo é até cinco vezes a tensão de entrada. Um valor até três vezes é mais viável para uma regulação adequada da tensão de saída. Veja a Figura 4. 
Figura 4: O conceito base de um conversor boost (fonte: Murata).
Comparado com o arranjo do conversor buck na Figura 2, o transístor de comutação S1, o indutor L1 e o díodo D1 (que era um interruptor na Figura 1) estão posicionados em locais ligeiramente diferentes. Quando S1 está LIGADO, a energia é armazenada em L1 e, quando está DESLIGADO, a energia é adicionada à tensão de entrada que flui através do condensador de entrada e, em seguida, para o condensador de saída.
Os conversores boost e buck utilizam poucos componentes, sendo que este método permite que atinjam uma elevada eficiência energética, tipicamente até 97%.
Nem a topologia de conversor buck nem a de conversor boost são isoladas. Isto significa que qualquer tensão de entrada pode aparecer na saída. Se o conversor CC/CC for alimentado por uma fonte CA, uma falha pode fazer com que a tensão da rede CA apareça na saída, com consequências potencialmente fatais. Muitas aplicações requerem isolamento galvânico entre a entrada e a saída, como em aplicações médicas e de saúde. Por exemplo, uma forma de obter isolamento galvânico num regulador de comutação quando a ligação à terra não é comum é utilizar um transformador. Um exemplo disso é o conversor inverso isolado (ver Figura 5).
Imagem 5: Esquema simplificado de um conversor inverso isolado (fonte: Wikipédia)
O conversor reverso isolado.
Num conversor reverso isolado, o transformador atua como indutor de armazenamento de energia, além de fornecer isolamento. Esta topologia é talvez a mais simples de todos os conversores CC/CC, pois possui poucos componentes. As aplicações são normalmente limitadas a aplicações de baixa potência.
Os conversores push-pull, meia-ponte e ponte completa
são exemplos de outras topologias de comutação isoladas atualmente em uso. O arranjo push-pull utiliza dois dispositivos de comutação que partilham a corrente e é adequado para aplicações de alta potência. Esta topologia utiliza enrolamentos primários e secundários divididos com derivação central, o que requer um transformador mais dispendioso. As topologias de meia-ponte e de ponte completa são semelhantes à push-pull, mas requerem apenas um enrolamento primário. A meia-ponte utiliza dois dispositivos de comutação e a ponte completa utiliza quatro. (Veja a Figura 6.)
Figura 6: Esquema simplificado de um conversor CC/CC de ponte completa isolado
Regulação de Saída:
Para além de basear o projeto de um conversor CC/CC numa topologia específica, decidir como regular a tensão de saída é também uma questão importante. Regular a saída com precisão sob qualquer condição de carga é especialmente importante para processadores com cargas de trabalho dinâmicas e de rápida variação. A tensão de saída deve voltar à função de comutação PWM de forma rápida e precisa para permitir alterações no ciclo de trabalho. Atualmente, a maioria dos circuitos integrados de controlo de conversores CC/CC inclui esta função, o que é facilmente conseguido numa topologia não isolada.
No entanto, manter o isolamento entre a entrada e a saída requer componentes adicionais, aumentando o custo da lista de materiais. Os métodos comuns de realimentação isolada incluem a utilização de um transformador adicional ou de um optoacoplador. A necessidade de componentes adicionais não só aumenta o custo da lista de materiais, mas também os requisitos de espaço na placa de circuito impresso. E nos projetos atuais com restrições de espaço, o espaço na placa de circuito impresso deve ser minimizado. Além de considerar o custo da lista de materiais, é importante lembrar que quanto mais componentes forem utilizados num projeto, mais complexos se tornam os desafios logísticos e de fornecimento de componentes. Utilizar um maior número de componentes também afetará negativamente a fiabilidade do produto final.
Circuitos Integrados e Módulos Conversores DC/DC:
Uma solução inovadora recente utiliza a deteção no lado primário para proporcionar um método de regulação muito mais simples. Durante a fase "OFF" do conversor flyback, o circuito integrado de acionamento deteta a saída secundária refletida através do transformador. Um exemplo de um circuito integrado de acionamento flyback "sem optoacoplador" é o Maxim MAX17687: ver Figura 7.
Figura 7: Exemplo de um circuito integrado conversor flyback sem optoacoplador com um número mínimo de componentes para gerar uma saída de 12V/750mA a partir de uma fonte de 16A 60V. O Maxim MAX17687 (fonte: Maxim)
O driver MAX17687 inclui dois MOSFETs integrados capazes de fornecer uma corrente primária máxima de 3,2 A. Utilizando a sensorização no lado primário, a tensão de saída é regulada dentro de um intervalo de +/- 1,2%. A frequência PWM do CI pode ser programada entre 100 e 500 kHz, e a eficiência de conversão é tipicamente superior a 90%.
Um exemplo de um módulo conversor CC/CC reverso completo é a série UWS-Q12 da Murata, um módulo isolado de estrutura aberta montado com tecnologia de componentes PTH (through-hole).
Estes módulos oferecem uma alternativa atraente aos projetos de conversores CC/CC discretos. Em primeiro lugar, simplificam significativamente o processo de desenvolvimento do projeto, podendo levar a reduções substanciais no tempo de engenharia. São também vantajosos do ponto de vista da lista de materiais, reduzindo o número de componentes e simplificando a logística. Outro aspeto a considerar é que os módulos geralmente já estão certificados de acordo com as normas EMC/EMI e as normas de saúde e segurança, o que simplifica ainda mais a aprovação do produto.
A série compacta UWS-Q12, com 91% de eficiência, oferece as habituais tensões nominais de saída única de 3,3, 5, 12, 15 ou 24 V e pode fornecer até 54 watts a partir de uma tensão de entrada entre 9 e 36 V. Inclui um conjunto abrangente de características de autoproteção, tais como proteção contra baixa tensão de entrada e sobretemperatura. 
Imagem 8: O Murata UWS-Q12 (fonte: Murata)
A série Traco TSR 1.5E é uma substituta prática de reguladores lineares antigos e ineficientes. Este dispositivo plug-and-play de 1,5 A utiliza uma topologia buck (ou abaixadora) não isolada para atingir até 97% de eficiência e acomoda uma vasta gama de tensões de entrada. Os dispositivos desta série fornecem 3,3 V CC (substitui o número de peça 7803), 5 V CC (substitui o número de peça 7805) e 12 V CC (substitui o número de peça 7812).
A TI adaptou a topologia do conversor buck com a sua tecnologia de controlo DCS (Direct Control Smooth Transition). A topologia DCS modificada consegue uma resposta transitória, regulação e características de ondulação significativamente melhores do que um conversor buck síncrono. A TI fornece o conversor como um CI driver, o TPS6282x, e como um módulo conversor com um indutor integrado. A Figura 9 mostra o diagrama de blocos funcional do módulo conversor buck não isolado com os FETs e o indutor integrados.
Figura 9: Diagrama de blocos funcionais do módulo conversor buck (ou abaixador) TI TPSM82821 com o CI controlador TPS6282x (fonte: TI)
Conversão de Energia Simplificada:
Neste artigo, investigamos algumas das topologias de conversão de energia CC/CC mais comuns e destacamos alguns exemplos de produtos. Os circuitos integrados conversores são um método muito utilizado para a conversão CC/CC, sendo eficientes em termos de espaço e custo dos materiais. Os circuitos integrados conversores de baixa potência que integram transístores de comutação ou FETs são extremamente populares em muitos produtos industriais, comerciais e de consumo. Os módulos conversores CC/CC que incorporam o circuito integrado de acionamento, o indutor e todos os componentes adicionais são os mais fáceis de integrar num produto final e estão facilmente disponíveis.
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
www.mouser.com
