Diarmuid Carey, Engenheiro de Aplicações
Resumo
No mundo do gerenciamento de energia, há uma gama de aplicações que requerem conversão de energia isolada, como dispositivos médicos, equipamentos de comunicação e sistemas industriais. Isso visa proteger o usuário final ou evitar interferência da entrada para a saída (ou ambos). Este artigo discute fontes de alimentação isoladas em modo comutado (SMPS) e introduz as topologias de conversão isoladas forward e flyback, amplamente usadas nessas aplicações. Também são investigadas as vantagens/desvantagens dessas topologias e sua adequação para diferentes níveis de potência, com o objetivo de fornecer uma compreensão clara de como selecionar a topologia correta para sua aplicação.
Introdução
Isolamento é a capacidade de um sistema elétrico de evitar fluxo direto de corrente entre duas seções separadas (isoladas) de um projeto. Isso pode ser necessário em várias situações, por exemplo, quando a isolação entre a entrada e a saída é obrigatória. A isolação funcional separa os aterramentos da entrada e saída, evitando que uma fonte ruidosa interfira no lado da saída—rompendo o laço de terra. Alternativamente, a carga a jusante pode precisar ser isolada da alta tensão do lado de entrada, o que é considerado isolamento básico. Alguns sistemas exigem um nível elevado de isolamento para aumentar a segurança e a confiabilidade.
Além das necessidades de segurança e isolamento, existem outras razões para selecionar uma topologia isolada. Em aplicações de alto step-up/step-down, a topologia isolada é necessária, pois um conversor buck ou boost padrão não consegue cumprir requisitos de ciclo de trabalho e tempos mínimos on/off. Em aplicações inversoras, dispositivos isolados são usados para alcançar a conversão de tensão positiva para negativa.
Aplicações multi-saída podem empregar uma topologia isolada para fornecer várias saídas a partir de um único conversor de energia, usando um transformador de múltiplas saídas. Estas são algumas das áreas onde a topologia isolada é útil.
Conversor Flyback
Um conversor flyback é um tipo de SMPS isolado que utiliza um transformador para transferir energia da entrada para a saída. Ele pode ser configurado em modo buck ou boost. Um interruptor, geralmente um transistor, é conectado em série com o enrolamento primário do transformador. Quando o interruptor está fechado, a energia é armazenada no campo magnético do transformador. Ao abrir o interruptor, a energia é transferida para a saída através de um circuito retificador com um diodo Schottky ou, se maior eficiência for necessária, um interruptor ativo.
Conversor Forward
O conversor forward também utiliza um transformador para transferir energia da entrada para a saída, com um interruptor em série com o enrolamento primário do transformador. A diferença é que não depende do transformador como um elemento de armazenamento de energia, transferindo-a diretamente para o lado secundário, onde é retificada e filtrada para fornecer uma saída regulada.
Conversor Flyback Sem Optoacoplador (No-Opto Flyback)
Outro tipo de conversor flyback é o conversor sem optoacoplador, também chamado de “no-opto” (ver Figura 3). No-opto refere-se ao fato de que o conversor não usa um optoacoplador para fornecer feedback do lado isolado para o conversor, a fim de manter a regulação. Em vez disso, o flyback sem opto amostra a tensão de saída isolada no lado primário, observando a forma de onda do pulso flyback.
Esse tipo de design possui várias vantagens em termos de área de placa e confiabilidade. A ausência do optoacoplador elimina a necessidade de espaço e dos componentes de feedback do lado secundário. Comparado com designs que utilizam um terceiro enrolamento, o tamanho do transformador também é menor. Essa redução da área da placa pode ser especialmente importante em aplicações em que o espaço é limitado, como em dispositivos portáteis ou eletrônicos compactos.
Quando o interruptor de potência é acionado, a corrente primária do transformador aumentará até atingir o limite de corrente de pico (diferente para cada CI), momento em que o interruptor é desligado. A tensão no nó do interruptor aumenta para a tensão de saída (VOUT) multiplicada pela relação de voltas primário-secundário (Nps), somada à tensão de entrada (VIN).
(1) Tensão do Nó do Interruptor (SW) = VOUT × Nps + VIN
A tensão nominal do interruptor é importante, assim como em reguladores de comutação não isolados. No entanto, é necessário ter mais cuidado com esse tipo de conversor, pois o nó do interruptor está sujeito a uma tensão que é igual à tensão de saída vezes a relação de voltas do transformador, mais a tensão máxima de entrada. Além disso, existe um pico de indutância de vazamento, portanto, o design precisa garantir que a tensão do interruptor não seja excedida quando todas essas condições se agregam.
O que é Indutância de Vazamento?
A indutância de vazamento é um tipo de indutância parasita presente em todos os circuitos baseados em transformadores, incluindo os conversores flyback e forward discutidos aqui. Ela é vista como a indutância que não está diretamente conectada ao circuito pretendido, mas é acoplada através do campo magnético do transformador. Trata-se de um componente parasita, ou seja, não é diretamente incluída no projeto do circuito, mas está presente devido às propriedades físicas do transformador. Pode ser entendida como o vazamento do campo magnético do transformador entre o enrolamento primário e o secundário, ou vice-versa.
Essa indutância de vazamento pode impactar os conversores flyback e forward de maneiras diferentes devido à forma como a energia é transferida. Para um conversor flyback, a indutância de vazamento causa um pico de tensão no interruptor primário quando ele desliga, sendo mais proeminente em correntes de carga maiores. Os projetistas de circuitos precisam garantir que exista uma margem adequada para quaisquer picos de tensão de vazamento em condições de pior caso. Isso significa que a tensão refletida na saída no lado primário precisa permanecer abaixo da tensão máxima do interruptor, que é a classificação máxima absoluta do MOSFET primário (que pode ser integrado no flyback ou ser um componente separado, dependendo do nível de potência).
Conversor Forward
O conversor forward também utiliza um transformador para transferir energia da entrada para a saída, com um interruptor em série com o enrolamento primário do transformador, de forma semelhante ao flyback. A diferença, no entanto, é que ele não depende do transformador como um elemento de armazenamento de energia, mas sim transfere a energia imediatamente para o lado secundário, onde ela é retificada e filtrada para fornecer uma saída isolada regulada, que pode ser maior ou menor do que a tensão de entrada (variando a relação de voltas do transformador).
A topologia pode ser identificada pela posição dos indicadores de fase do transformador. Os indicadores de fase do lado primário e do lado secundário estão alinhados, o que significa que há um deslocamento de fase de 0° entre a corrente e a tensão nos lados primário e secundário.
No lado secundário, há dois diodos retificadores (implementação não síncrona) e também um filtro de saída formado por um indutor e um capacitor para reduzir a ondulação de saída. O LT8310 é capaz de operar em uma configuração sem opto, similar aos flybacks sem opto, mas também pode usar feedback optoacoplado, se necessário. Também pode ser implementado como um conversor forward retificado de forma síncrona, utilizando o pino SOUT para acionar MOSFETs no lado secundário, o que ajuda a otimizar a eficiência.
Diferenças Principais Entre os Conversores Flyback e Forward
Existem algumas diferenças principais entre os conversores flyback e forward, incluindo eficiência, capacidade de corrente de carga, tamanho e custo.
- Eficiência: Em geral, os conversores forward tendem a ser mais eficientes do que os flyback, pois têm menores perdas devido à saturação do núcleo e à indutância de vazamento. No entanto, a eficiência de um conversor também depende do design específico do circuito e dos componentes utilizados. Por exemplo, o nível de potência é um elemento importante nesta parte da discussão, portanto, nem sempre é uma comparação direta. Historicamente, a diferença entre as duas topologias era maior, mas com componentes mais eficientes disponíveis hoje em dia, elas estão muito mais próximas em termos de eficiência alcançada.
- Capacidade de Corrente de Carga: Os conversores forward geralmente lidam com correntes de carga mais altas do que os flyback porque o design do transformador permite uma maior corrente fluindo pelo enrolamento primário. A energia é transferida no mesmo ciclo (forward) em vez de ser armazenada (flyback), e o que limita a capacidade de corrente de carga é o tamanho do transformador. Flybacks são geralmente usados em aplicações de até 60 W a 70 W devido às limitações do transformador, e além dessa faixa um conversor forward é uma solução mais otimizada, capaz de fornecer centenas de watts de potência.
- Tamanho: Os conversores flyback tendem a ser menores do que os forward devido ao design do transformador e ao menor número de componentes necessários para habilitar essa topologia de conversão (menos FETs e um filtro mais simples). O menor tamanho dos conversores flyback pode ser um fator importante para aplicações onde o tamanho é crítico, como dispositivos portáteis.
- Custo: Os conversores flyback tendem a ser mais baratos do que os forward devido ao design mais simples do transformador e também ao menor número de componentes necessários para habilitar o circuito. A Tabela 1 mostra uma comparação simplificada entre as duas topologias e o número de componentes necessários para implementar o circuito. Como mostrado, o flyback é uma implementação mais simples. Mesmo complicando os projetos com retificação síncrona ou a necessidade de um optoacoplador para feedback, o forward ainda é um design mais complexo em termos de componentes, resultando em um custo maior e em uma área de placa maior para implementação.
Tabela 1. Comparação de Contagem de Componentes: Forward vs. Flyback
| Componente | Forward | Flyback |
|---|---|---|
| Controlador | 1 | 1 |
| FETs | 2 | 1 |
| Transformador | 1 | 1 |
| Indutor | 1 | 0 |
| Diodos Retificadores | 2 | 1 |
| Capacitores de Saída | 1 | 1 |
| Total | 8 | 5 |
Controlador do Lado Secundário: É Necessário?
Tanto os conversores forward quanto os flyback podem funcionar sem um controlador do lado secundário, utilizando um diodo (dois no caso de um conversor forward) no lado secundário (lado isolado do transformador). No entanto, essa nem sempre é a maneira mais eficiente. Outra abordagem é substituir os diodos por MOSFETs de baixa perda, o que requer um controlador do lado secundário. Esse controlador é responsável por controlar o acionamento dos MOSFETs no lado secundário da barreira de isolamento.
Alguns desses dispositivos, como o LT8311, podem incluir circuitos para monitorar a tensão de saída e fornecer essa informação ao lado primário da barreira de isolamento através de um sinal de optoacoplador. A Figura 6 mostra um circuito de aplicação no qual o conversor forward LT3753 é emparelhado com o LT8311 em uma implementação com controle no lado secundário e feedback por optoacoplador.
Então, voltando à pergunta se é necessário um controlador do lado secundário no projeto, a resposta é: como em tudo relacionado a energia, depende. Depende dos requisitos do sistema, da precisão, da eficiência, do cronograma do projeto, dos custos, etc. Em última análise, há vários benefícios em ter um controlador do lado secundário que podem ajudar na decisão.
- Aumento da Eficiência: O controlador do lado secundário permite controlar MOSFETs com baixo RDS(on), o que ajuda a reduzir a dissipação de energia no lado secundário, aumentando assim a eficiência do sistema.
- Melhoria da Regulação: Ele pode monitorar a tensão e a corrente de saída e fornecer feedback ao lado primário para ajudar a manter uma tensão de saída estável e precisa, permitindo uma regulação de tensão mais apertada e melhor estabilidade da saída.
- Flexibilidade: Alguns controladores do lado secundário podem incluir uma variedade de recursos adicionais, o que torna o conversor mais versátil e útil em diferentes aplicações.
Exemplos de Aplicações que Podem Exigir Conversão de Potência Isolada:
- Equipamento Médico: A isolação é frequentemente usada em equipamentos médicos para prevenir choques elétricos em pacientes e funcionários. A isolação também evita interferência entre os sinais elétricos dos pacientes e o equipamento, o que pode levar a diagnósticos e tratamentos mais precisos.
- Controle Industrial: A potência isolada é necessária para muitos sistemas, como a fonte de alimentação da interface de comunicação e a automação industrial. A isolação é comumente usada em sistemas de controle industrial para proteger equipamentos eletrônicos sensíveis contra transientes de alta tensão e ruído elétrico.
- Sistemas Automotivos: A isolação também é usada em sistemas automotivos para evitar interferência elétrica entre diferentes subsistemas e para proteger sistemas eletrônicos contra picos de tensão e transientes.
- Sistemas de Comunicação: A isolação é usada em sistemas de comunicação, como fontes de alimentação de alta densidade de potência em telecomunicações e datacom.
- Sistemas de Energia Renovável: A isolação também é usada na conversão de energia de sistemas renováveis, como plantas solares, eólicas ou hidrelétricas, por razões de segurança e para evitar interferência entre diferentes partes do sistema.
- Sistemas Baseados em Bateria: A isolação é importante em sistemas baseados em bateria, principalmente durante a carga e descarga, para proteger componentes eletrônicos sensíveis contra transientes de alta tensão e garantir a segurança.
Conclusão
De forma geral, a isolação é utilizada em uma ampla gama de aplicações onde é necessário separar os lados de entrada e saída de um conversor de potência por razões de segurança, precisão e confiabilidade. Tanto os conversores flyback quanto os forward são topologias de SMPS isoladas que podem ser utilizadas em tais aplicações. A escolha entre essas duas topologias depende dos requisitos específicos da aplicação e das compensações que precisam ser feitas em termos de eficiência, isolação, tamanho, capacidade de corrente de carga e custo.
Artigo original: https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/isolated-switch-mode-power-supplies-forward-vs-flyback.html