Critérios de seleção para diodos de roda livre em circuitos conversores buck

Figura 1. Topologia do conversor BUCK não síncrono

A Figura 1 mostra a topologia de um conversor BUCK assíncrono. Os circuitos integrados de conversores BUCK assíncronos normalmente integram apenas o MOSFET de alta tensão internamente. Um diodo de roda livre precisa ser instalado entre o pino SW e o GND como caminho de roda livre para o indutor de potência quando o MOSFET de alta tensão estiver desligado.

A seleção do diodo de roda livre deve atender pelo menos aos seguintes dois critérios rígidos (1)(2) e dois critérios de otimização (3)(4):

(1) A tensão de operação reversa VRRM do diodo de roda livre deve ser igual ou maior que a tensão máxima de entrada VIN(máx).

(2) A corrente de condução direta IF(AV) do diodo de roda livre não deve ser inferior a Iout(max)*(1-D), onde D é o ciclo de trabalho do conversor buck e Iout(max) é a corrente de carga máxima que o conversor buck pode suportar. Para uma seleção mais rigorosa da capacidade de sobrecorrente do diodo de roda livre, pode-se selecionar um valor maior ou igual à corrente de pico no indutor IOUT+(ΔIL)/2.

(3) Quanto menor a queda de tensão direta VF, menor a perda de potência causada por esse parâmetro e maior a eficiência energética. (4) Quanto mais rápida a comutação do estado ligado para o estado desligado (menor o tempo de recuperação reversa trr), menor a perda de recuperação reversa e maior a eficiência energética, melhor.

Os diodos de barreira Schottky (SBDs) são escolhas ideais para diodos de roda livre devido à sua pequena queda de tensão direta e rápido tempo de recuperação reversa (tipicamente dezenas de nanossegundos ou até mesmo alguns nanossegundos), reduzindo as perdas de potência no diodo de roda livre.

Para projetar um conversor CC-CC abaixador com uma faixa de tensão de entrada CC de 9 a 36 V, uma tensão de entrada típica de 12 V, uma tensão de saída de 5 V e uma capacidade de carga máxima de 5 A, um diodo Schottky com tensão reversa de operação de 40 V e corrente direta superior a 5 A foi selecionado, pois sua tensão máxima de entrada é de 36 V. Como mostrado na Figura 2, o diodo Schottky SS54 apresenta uma tensão reversa de operação de 40 V, uma corrente retificada média de 5 A e uma queda de tensão direta máxima de 0,55 V com uma corrente direta de 5,0 A, atendendo aos requisitos do circuito.

Figura 2. Parâmetros elétricos do diodo Schottky SS54

Quando a tensão de entrada é de 12 V (valor típico), o ciclo de trabalho é de 5/12 (valor típico) e a corrente média que flui pelo diodo de roda livre é de 5,0 A * (1 - 5/12) = 2,917 A. Quando a tensão de entrada atinge o valor máximo de 36 V, o ciclo de trabalho é de 5/36 (valor mínimo) e a corrente média máxima que flui pelo diodo de roda livre é de 5,0 A * (1 - 5/36) = 4,3 A. Conforme mostrado na Figura 3, o diodo D3 (SS54) no exemplo de projeto de circuito TPS54360DDAR é o diodo de roda livre selecionado.

Figura 3. Exemplo de projeto de circuito TPS54360DDAR