A ondulação da fonte de alimentação, ou simplesmente ripple, é a flutuação periódica da tensão ou da corrente em uma fonte de alimentação. Essa flutuação representa uma ameaça potencial à operação estável de equipamentos elétricos. Ondulação excessiva na fonte de alimentação pode reduzir a eficiência de conversão do sistema de energia, aumentar a geração de calor e, em casos graves, levar à instabilidade do sistema ou até mesmo danos aos chips. Portanto, ao projetar um circuito BUCK, é necessário tomar medidas para reduzir a ondulação da fonte de alimentação e garantir a estabilidade do sistema.
A seguir, apresentamos alguns métodos comuns para reduzir a ondulação em fontes de alimentação BUCK:
De acordo com a fórmula para fontes de alimentação chaveadas, a magnitude da flutuação de corrente no indutor é inversamente proporcional ao valor da indutância, e a ondulação na saída é inversamente proporcional ao valor da capacitância de saída. Portanto, aumentar os valores da indutância e da capacitância de saída pode reduzir a ondulação.
Figura 1 Corrente do indutor
A Figura 1 acima mostra a forma de onda da corrente no indutor L de uma fonte de alimentação chaveada. A ondulação da corrente ΔI pode ser calculada usando a seguinte fórmula. Com base no equilíbrio volt-segundo e em outros parâmetros, observa-se que o aumento do valor do indutor L ou o aumento da frequência de chaveamento podem reduzir a flutuação da corrente no indutor. Da mesma forma, a relação entre a ondulação de saída e a capacitância de saída é: Vripple = Imax/(Co × fsw). Observa-se que o aumento do valor da capacitância de saída pode reduzir a ondulação.
Normalmente, capacitores eletrolíticos de alumínio são usados como capacitores de saída para obter uma capacitância elevada. No entanto, os capacitores eletrolíticos não são muito eficazes na supressão de ruídos de alta frequência e sua ESR (resistência série equivalente) é relativamente alta. Portanto, um capacitor cerâmico é conectado em paralelo com eles para compensar as deficiências dos capacitores eletrolíticos de alumínio.
Quando uma fonte de alimentação chaveada está em operação, a tensão de entrada Vin permanece constante, mas a corrente varia com a chave. Quando a fonte de alimentação é ligada ou a carga muda abruptamente, um capacitor de entrada é necessário como reserva temporária de energia para compensar a queda instantânea na tensão de entrada. Normalmente, um capacitor é conectado em paralelo próximo ao terminal de entrada de corrente (próximo à chave em uma fonte Buck) para fornecer corrente. O capacitor de entrada também suprime a ondulação e a interferência eletromagnética (EMI) da fonte de alimentação anterior.
Após a adoção da solução acima, a fonte de alimentação chaveada do tipo BUCK é mostrada na figura abaixo:
Figura 2 Topologia BUCK
A abordagem acima tem efeito limitado na redução da ondulação. Devido às limitações de tamanho, o indutor não pode ser muito grande; aumentar o capacitor de saída até certo ponto não tem efeito significativo na redução da ondulação; e aumentar a frequência de comutação aumentará as perdas de comutação.
Os filtros LC são eficazes na supressão de ruído e ondulação. Selecionando indutores e capacitores adequados para construir o circuito do filtro com base na frequência de ondulação a ser removida, a ondulação geralmente pode ser reduzida significativamente. No entanto, nesse caso, o ponto de amostragem da tensão de comparação de realimentação precisa ser considerado.
Figura 3
Selecionar o ponto de amostragem antes do filtro LC (Pa) resultará em uma diminuição da tensão de saída. Isso ocorre porque qualquer indutor possui uma resistência CC e, quando há corrente na saída, ocorre uma queda de tensão no indutor, fazendo com que a tensão de saída da fonte de alimentação diminua. Além disso, essa queda de tensão varia com a corrente de saída. Selecionar o ponto de amostragem após o filtro LC (Pb) produzirá a tensão de saída desejada. No entanto, isso introduz um indutor e um capacitor no sistema de alimentação, podendo afetar a estabilidade do circuito.
A combinação mais comum é BUCK+LDO, que é a maneira mais eficaz de reduzir a ondulação e o ruído. Ela fornece uma tensão de saída constante sem exigir alterações no sistema de feedback original, mas isso também reduz a eficiência geral do sistema de alimentação e é o mais caro. Uma métrica fundamental para LDOs é a PSRR (Taxa de Rejeição da Fonte de Alimentação), que quantifica o quanto as variações na entrada de energia são transmitidas para a saída. Após passar por um LDO, a ondulação de comutação normalmente fica abaixo de 10 mV.
O layout da placa de circuito impresso (PCB) de uma fonte de alimentação chaveada também é crucial para reduzir a ondulação. O posicionamento inadequado de componentes, aterramento impróprio ou trilhas críticas próximas à área sensível à chave podem causar aumento da ondulação e ruído de alta frequência.
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