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E-BOOK 2

PFC FONTES CHAVEADAS

FAN7930C WWW.INSTRUCTIVA.COM.BR

FONTES CHAVEADAS Os assuntos que serão abordados nesse e-book são de aulas dadas em nosso curso de manutenção em fontes chaveadas. Esse curso pode ser acessado no bunner abaixo

O curso foi criado com o objetivo de cobrir uma grande necessidade existente no mercado brasileiro sobre manutenção em fontes chaveadas, fontes essas que evoluíram muito e estão cada dia mais complexas.

Esse curso te posiciona como um técnico que conhece todas as topologias, sabe fazer análise, conhece de data sheets, sabe analisar esquemáticos, e quando não tem esquemáticos fornecemos ferramentas para que você faça o seu. Hoje as fontes trabalham com , fonte de STB, PFC, SMPS principal e alguns caso ainda tem os inversores de tensão, sendo que cada uma dessas fontes com topologias diferentes. Observando essas questões na evolução das fontes o curso da uma resposta para essas filosofias de fontes chaveadas, deixando o técnico um especialista em manutenção dessas fontes. DESENVOLVIDO POR: Instructiva Eletrônica EAD

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PFC MANUTENÇÃO EM FONTES CHAVEADAS Como funcionam os PFC, quais suas vantagens, sua eficiência, topologia, análise do PFC, modo descontinuo  BCM e modulação

TUDO SOBRE PFC

DESENVOLVIDO POR: Instructiva Eletrônica EAD

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PFC MODO BCM TOPOLOGIA DO PFC CONVERSOR BOOST

PFC MODO BCM TOPOLOGIA DO PFC CONVERSOR BOOST

Os modos de operação mais utilizados para o aumento conversor são modo de condução contínua (CCM) e modo de condução descontínuo (BCM). Estes dois descritivo nomes referem-se à corrente que flui através da energia indutor de armazenamento do conversor boost, conforme Figura 2. Como os nomes indicam, a corrente do indutor CCM é contínuo; enquanto no BCM, a nova troca período é iniciado quando a corrente do indutor retorna zero, que está no limite da condução contínua e operações de condução descontínuas. Mesmo que a operação BCM tem maior corrente RMS no indutor e dispositivos de comutação, permite melhor condição de comutação para o MOSFET e o diodo. Como mostrado na Figura 2, o a recuperação reversa do diodo é eliminada e uma recuperação rápida o diodo não é necessário. O MOSFET também é ligado com corrente zero, o que reduz a perda de comutação.

PFC MODO BCM TOPOLOGIA DO PFC CONVERSOR BOOST A ideia fundamental do BCM PFC é que o indutor a corrente começa do zero em cada período como mostrado na Figura 3. Quando o transistor de potência do boost o conversor é ligado por um tempo fixo, no indutor, a corrente de pico é proporcional à tensão de entrada. A forma de onda atual é triangular; o valor médio em cada período de comutação é proporcional à tensão de entrada. A tensão de entrada sinusoidal, a corrente de entrada do conversor segue a forma de onda de tensão de entrada com muito alta precisão e desenha uma corrente de entrada sinusoidal a partir do fonte. Esse comportamento faz o conversor boost no BCM operação se torne ideal para correção do fator de potência. A Figura 4 mostra como o MOSFET atua no tempo e comutação, a freqüência muda conforme a potência de saída diminui. Quando a carga diminui, como mostrado no lado direito da Figura 4, a corrente de indutor de pico diminui com MOSFET Ton reduzido a freqüência de chaveamento aumenta. Trabalho com cargas leves podem causar perdas de comutação graves , devido ao aumento da frequencia, tendo em vista que a perda por comutação é proporcional a frequencia de comutação, A frequencia maxima de comutação do FAN 7930 está limitado a 300kHz.

PFC MODO BCM TOPOLOGIA DO PFC CONVERSOR BOOST

Desde a concepção do filtro e indutor para um BCM PFC conversor com frequência de comutação variável deve estar em condição de freqüência mínima, vale a pena examinar como a freqüência mínima de BCM PFC o conversor muda com as condições de operação. A figura 5 mostra a freqüência mínima de chaveamento, que ocorre no pico da tensão da linha em função da Tensão de linha RMS para três configurações de tensão de saída. Isto é interessante que, dependendo de onde a tensão de saída é ajustada, a freqüência mínima de chaveamento pode ocorrer na mínima tensão ou na tensão de linha máxima.

PFC MODO BCM A velocidade de controle de realimentação do PFC é tipicamente bastante lenta. Devido à resposta lenta, há uma lacuna entre a saída tensão e controle de feedback. É por isso que a sobretensão , proteção (OVP) é crítica no controlador PFC. Quedas de tensão causado pela mudança rápida da rede elétrica é diminuído por um grande capacitor de filtro na saída. OVP é facilmente acionado na inicialização. Comutação de partida e parada por OVP na inicialização pode causar ruído audível e pode aumentar tensão de tensão na inicialização, que pode ser maior do que a Operação normal . Esta operação é melhorada quando o tempo de partida suave é muito longo. No entanto, o tempo de inicialização muito longo aumenta tempo necessário para que a tensão de saída atinja a valor, especialmente em carga leve. O FAN7930 inclui uma inicialização sem recurso de superação. Durante a inicialização, o feedback loop é controlado por um ganho proporcional interno controlador e, quando a tensão de saída atingir o valor próximo do nominal, alterado para o valor compensador após um tempo de transição fixo internamente descrito na Figura 6. Em suma, um interno controlador de ganho proporcional impede overshoot na inicialização.

PFC MODO BCM Partida Nenhuma informação sobre tensão de entrada está disponível no controlador interno, todo esse processo é feito pela corrente no indutor. Em muitos casos, o VCC do controlador PFC é fornecido por uma fonte de energia independente, de uma fontes de stand by, então quando a energia elétrica é subitamente interrompida durante um ou dois períodos de linha CA, o VCC ainda está vivo durante tempo e queda de tensão de saída do PFC. Por conseguinte, o loop de controle tenta compensar à queda de tensão de saída e o controle atinge seu máximo. Essas quedas de tensão de rede pode provocar grandes perdas no chaveador e para proteger contra isso, o FAN7930 verifica se a entrada de tensão existe. Quando o controlador verifica que a entrada a tensão não existe, o arranque suave é reiniciado e aguarda a tensão de entrada CA . Soft-start gerencia o tempo de ativação para operação suave após detectar que a tensão alternada está ativa e resulta em menos tensão e corrente estresse durante a inicialização.

PFC MODO BCM

PFC MODO BCM Malha ZCD O primeiro papel do enrolamento ZCD é a detecção do ponto de corrente zero do indutor . Uma vez que o impulso a corrente do indutor se torna zero, o capacitância efetiva (Ceff) no pino de dreno do MOSFET e o indutor formam uma frequência de ressonância entre MOSFET e INDUTOR. Para minimizar as perdas por comutação a malha ZCD detecta o ponto em que a corrente é zero através de uma tensão que atinge o ponto minimo como mostrado na figura. Quando o Mosfet entra no corte que a tensão de DRENO é alta , essa tensão será aplicada no enrolamento auxiliar que está em fase com essa tensão, o valor dessa tensão será maior que 1,6 Volts e com isso o pulso de gate do MOSFET se mantem desligado. Como a corrente no indutor está indo para zero essa tensão diminui no enrolamento auxiliar, e quando ele for menor que 1,4 Volts aciona um delay e ao passar o tempo desse delay se inicia um novo TON, colocando o MOSFET em saturação. A malha de ZCD consegue dessa forma detectar quando a corrente no indutor é zero, com isso a corrente no MOSFET também é zero, possibilitando comutação no modo ZCS , (zero current switching) isso possibilita baixas perdas de comutação.

PFC MODO BCM

PFC MODO BCM Alimentação do CI PFC FAN 7930 O pino de VCC desse CI é o 8, Observe que ele é alimentado através de R 314 que recebe alimentação de uma fonte independente de stand by mas que depende de um comando de power on , ou seja , a fonte de stand by entra em funcionamento mas o PFC e as demais fontes não, mas quando recebe um comando de ligar então um circuito de comando libera essa tensão de VCC 1 para alimentar e dar partida no PFC.

PFC MODO BCM Proteção de Corrente É típico definir um nível de limite de corrente pulso-a-pulso um pouco superior à corrente máxima do indutor calculada pela Equação ao ao lado para uma margem de 10%, o resistor de detecção de corrente

Os resistores RCS são R306 e R 303 , estão em paralelo, sendo que essa associação tem um valor de 0,068 Ω, como a queda de tensão é de 0,8 V de referencia e comparação podemos então definir a corrente de proteção temos 0,8/0,069= 11,5 A essa seria a corrente de pico no indutor que acionaria a ´proteção. O resistor R320 e o capacitor C305 forma um filtro passa baixas, serve para eliminar os ruídos gerados na chave durante suas comutações.

PFC MODO BCM DRY A ideia desse pino é fazer a comutação do estagio que esta sendo alimentado pelo PFC entrar em funcionamento somente após o PFC atingir certo nível de tensão. O pino DRY fica em nível baixo até atingir o nível de tensão adequado e quando isso ocorre esse pino será colocado em um nível alto de tensão que pode ser utilizado para acionar ou ligar a próxima fonte.

No pino INV temos os resistores ligados em série que totalizando temos 4MΩ em série com 25,5k, e vemos que o nível de tensão de acionamento do DRY está com 1,64 volts desliga o pino, e quando atingir 2,24 V aciona o pino, ou seja, toda vez que a tensão nesse pino for maior que 2,24 V esse pino aciona em nível alto e libera o funcionamento da fonte que será alimentada com o PFC. Caso essa tensão seja menor que 1,64 V o pino se manterá desligado. Como temos um resistor de 4M em série podemos determinar qual será a tensão que liga e desliga esse pino.

Quando ligar o equipamento e a tensão atingir 351 Volts teremos então o acionamento o DRY liberando a fonte, caso essa tensão caia durante funcionamento normal se ela for menor que 258 V DRY será desligado e consequente à fonte alimentada também pelo PFC. A referencia de 2,5 V, ira ocorrer em funcionamento normal.

PFC MODO BCM Quando ligar o equipamento e a tensão atingir 351 Volts teremos então o acionamento o DRY liberando a fonte, caso essa tensão caia durante funcionamento normal se ela for menor que 258 V DRY será desligado e consequente à fonte alimentada também pelo PFC. A referencia de 2,5 V, ira ocorrer em funcionamento normal.

A alimentação do próximo conversor e feita através do LLC_VCC, observe que temos o Q305 como uma chave que liga essa alimentação, o Q305 liga e deliga a alimentação de VCC1, ou seja , quando ele satura essa tensão de VCC 1 ira acionar LLC_VCC, mas para isso depende do pino RDY, ou seja quando RDY for alto , polariza a base de Q305 que satura e liga LLC_VCC, quando RDY for baixo , despolariza base de Q305 que entra em corte e desliga LLC_VCC

PFC MODO BCM Gate on/off

O Circuito integrado ele mesmo é quem faz o acionamento de Gate do Mosfet sem a necessidade de utilizar um Gate Drive externo pois no internamente ele já tem um Gate Drive, que na verdade é para reforço de corrente na hora de Ton do MOSFET. Nessa configuração que é muito utilizada devemos pensar no momento de Ton e Toff, ou seja, existem dois caminhos um para TON e outro para TOFF. TON Nesse caso quando o pulso de saída ( out) for alto, valor de VCC, esse pulso ira colocar o MOSFET em saturação através de R317 e R318 e D304 estará reversamente polarizado sendo assim aberto. Somando os valores desses dois resistores temos 68R + 22R=90R. por esse caminho que irá ocorrer TON TOFF Quando a saída do pulso for para zero , TOFF, onde irá colocar o MOSFET em corte , o caminho será outro , observe que o diodo D304 esta em paralelo com R318 sendo assim a corrente ira passar com um valor muito maior pelo diodo e bem menor pelo resistor, e depois pelo resistor R317 DE 22R e indo até o pino de saída e levado essa corrente para GND. A diferença nesse caso que em TON temos um resistor de 90R e em TOFF apenas 22R, dessa forma o tempo de transição de Rise Time para entrar em condução é maior que Fall time que é para sair da condução.

PFC MODO BCM O zener de 18 Volts, D307 está nessa saída como uma proteção de 18V, ou seja, se a tensão que for aplicada no Gate for maior que 18V, ele ira travar em 18V , evitando que danifique o GATE SOURCE do MOSFET

Corrente de inrrupção

Como os valores dos capacitores de filtro do PFC, são bem mais elevados que os do retificador de entrada como vemos C101 1 uF, e os de filtro do PFC são dois de 68 u F cada um ,por 450 v , CE3 e CE2. Nos primeiros ciclos de carga desses capacitores ocorrem as correntes mais altas devido estarem extremamente descarregados, e essa corrente de irrupção é elevada, bem acima da nominal. Para evitar isso temos o Diodos D301 e D302 que carregam os capacitores CE3 e CE2 com tensão retificada da rede, isso mantem a carga do capacitor em um valor de pico, valor esse bem mais abaixo que o de VBUS, servindo apenas para partida. Quando partir o PFC a tensão na saída não é zero em com isso facilita a partida e, além disso, minimiza no indutor LP1 a corrente indesejada que é de irrupção. Esse diodo ele é opcional, mas é aconselhável coloca-lo, pois ira ajudar na partida do PFC. Depois que o PFC parte, como a tensão de Barramento é maior que a de rede esse Diodo ficar bloqueado, ou seja, como uma chave aberta.

PFC MODO BCM Proteçaõ

No enrolamento do LP1, temos no pino 4 que alimenta um o ZCD e o outro para o circuito de proteção. R322, R323 C312 acoplam esse sinal em D308, que do pino 3 e 1 atuam no semiciclo negativo e 3 e 2 , forma um retificador de meia onda cujo filtro é C313. Ligado ao C313 temos um Zener de 30V, D309, que em situações normais se manter cortado , tendo em vista que a tensão sobre o capacitor de filtro C313 deve ser menor que 30V. Se por ventura a tensão do C313 for maior que 30 V devido problemas no PFC ou tensão de rede de entrada, o Zener ira conduzir polarizando a base de Q302 que entrara em condução polarizando a base de Q301, que por sua vez auto polariza a base de Q302 via coletor e emissor, levando os dois transistores a saturação dessa forma a tensão de B1 irá baixar para e torno de 1,4 v, essa tensão atua em um circuito que desliga a alimentação do PFC mantendo ele inoperante até que todo sistema seja deligado e ligado novamente.

PFC MODO BCM Conclusão Sempre que se depararem com fonte que trabalham com PFC, você deve perceber que são fontes bem pensadas e com uma engenharia preocupada com eficiência, de acordo co EMC, EMI. Na maioria das vezes o PFC será alimentado pela fonte de stadby, mas podem ser que encontrem sistemas com apenas o PFC e a fonte principal. Toda manutenção em fontes complexas a primeira coisa que tem ser feita é definir quantas fontes são, quais são cada uma delas, quais topologias utilizam, ver os principais circuitos integrados de cada uma, baixar data sheet de cada um deles, dar uma estudada nos data sheet e ai depois sim fazer a manutenção, fazendo assim pode ter certeza que terá uma manutenção de sucesso. Primeiro devemos pensar e analisar e depois fazer a manutenção ou projeto, não podemos por causa da empolgação, pressa etc, apanharmos primeiro para depois que esgotar os recursos pensar e analisar.

INSTRUINDO COM CRIATIVIDADE

SOBRE O INSTRUTOR: Trabalha com desenvolvimentos de projetos eletrônicos de autoclaves para um dos maiores fabricantes de autoclave do Brasil. Desenvolve produtos de Raio-X de baixa e alta frequência. Além de ultrassons, bisturis, focos, equipod e raios-x para área veterinária. Já CELSO DE CASTRO desenvolveu produtos de ultrassom para MUNIZ uma grande marca que atua no Brasil.

Trabalha com o desenvolvimento de fontes chaveadas para equipamentos odonto hospitalares de acordo com IEC-60601. Experiência com quatro projetos desenvolvidos e certificados de acordo com IEC-60601. Ministrou aulas no Senai por mais de 17 anos sobre as matérias de eletrônica analógica e eletrônica de potência. Atualmente, ministra treinamentos para redes autorizadas no Brasil e exterior para técnicos na área odontológica. Tendo vasta experiência neste campo, e conhecendo a carência de informação na área Odonto Hospitalar, Celso é fundador da Instructiva Treinamentos EAD.

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