Configuração de partida suave da fonte de alimentação Buck

A corrente de pico é uma corrente transitória e elevada gerada quando uma fonte de alimentação ou dispositivo é ligado. Em nossas fontes de alimentação e sistemas eletrônicos, a corrente de pico é indesejável porque pode causar sobrecarga e danos ao dispositivo.

Os circuitos de fontes de alimentação chaveadas buck utilizam um circuito de partida suave para controlar a taxa de aumento da corrente durante a inicialização do sistema, fornecendo energia gradualmente à carga e mitigando o impacto da corrente de pico no sistema. A função de partida suave de uma fonte de alimentação buck é obtida através da configuração de um capacitor de partida suave. Isso suprime efetivamente a corrente de pico, impedindo que a corrente de carga do capacitor de saída exceda o limite de corrente da fonte de alimentação chaveada durante a inicialização. Isso reduz o pico de corrente no próprio circuito de chaveamento e nas cargas subsequentes, além de minimizar as quedas de tensão de entrada. Ademais, um tempo de partida suave configurado corretamente garante uma elevação suave da tensão de saída, evitando flutuações.

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Tomemos como exemplo o chip TPS54561DPRT da TI. Seu diagrama de blocos funcional interno é mostrado na Figura 1. O TPS54561DPRT implementa a partida suave conectando um capacitor externo ao pino SS/TR.

A relação volt-ampère de um capacitor é expressa como I = C * dV / dt. Isso demonstra que quanto maior a capacitância, maior a tensão, e quanto menor o tempo de carga, maior a corrente de carga. Em outras palavras, para uma dada capacitância, a magnitude da corrente de carga do capacitor é proporcional à taxa de variação da tensão.

Uma fonte de alimentação chaveada buck típica implementa um tempo de partida suave configurável conectando um capacitor de partida suave externo (CSS) ao pino de partida suave (SS). A fonte de corrente de carga de partida suave interna (ISS) carrega o capacitor CSS e, em seguida, compara a tensão com a tensão de referência (VREF) para determinar o fim do processo de partida suave. De acordo com a fórmula de carga do capacitor (I = C*ΔV/ΔT), o tempo TSS necessário para que a tensão no capacitor de partida suave carregue de zero até VREF é:

TSS_SET = CSS * VREF/ISS (Equação 1)

Para um circuito conversor buck, assumindo que a tensão de saída definida seja VOUT, o capacitor de saída seja COUT e a corrente de pico que carrega o capacitor de saída seja IINRUSH, o tempo necessário para a tensão no capacitor de saída (ou seja, a tensão de saída) subir de zero até o valor de referência VOUT é TSS_OUT. Usando a fórmula de carga do capacitor, obtemos:

TSS_OUT = COUT * VOUT/IINRUSH (Equação 2)

O requisito de inicialização para uma fonte de alimentação chaveada é que a tensão no capacitor de partida suave deve carregar de zero até VREF dentro do tempo de partida suave TSS_SET, e a tensão no capacitor de saída deve carregar de zero até o valor de ajuste VOUT dentro do mesmo intervalo de tempo. Portanto, temos:

TSS_SET = TSS_OUT (Equação 3)

A fórmula final para calcular o capacitor de partida suave é:

(Equação 4)

Quando um conversor chaveado inicia a operação, a corrente que carrega o capacitor de saída é convencionalmente chamada de corrente de pico, IINRUSH. Essa corrente normalmente corresponde a 5% a 10% da corrente máxima de carga do conversor chaveado, IOUT,MAX. Se a corrente de pico, IINRUSH, for 5% da corrente máxima de saída da fonte de alimentação chaveada, IOUT,MAX, então IINRUSH = 5% × IOUT. Substituindo IINRUSH = 5% × IOUTMAX na Equação 4, obtemos a seguinte expressão para o capacitor de partida suave, CSS:

(Equação 5)

Tomando como exemplo o chip TPS54561DPRT, os dados de cálculo reais são os seguintes:

Requisitos: VOUT = 5,0V, COUT = 3 * 47uF = 141uF, IOUT,MAX = 5,0A

Parâmetros: ISS = 1,7uA, VREF = 0,8V, IINRUSH = 5% * 5,0A = 0,25A

Resultados dos cálculos:

Utiliza-se um capacitor padrão próximo de 10nF. Essa é a razão pela qual C13 = 0,01uF na figura abaixo.

A configuração de capacitores de partida suave é uma etapa fundamental para suprimir a corrente de pico e garantir a estabilidade do sistema. Ao selecionar adequadamente a capacidade do capacitor, você pode proteger os componentes e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos de inicialização em diferentes cenários.

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