Operação em Modo Burst: Uma Espada de Dois Gumes

Dylan Howes, Engenheiro de Aplicações, TT Electronics
Data: 06/07/2019
Em resposta aos padrões de eficiência em fontes de alimentação que estão em constante evolução, os fabricantes de fontes de alimentação estão utilizando a operação em modo de rajada (Burst) (entre outras estratégias de economia de energia) para reduzir o consumo de energia em standby de adaptadores de energia externos. Técnicas de conversão eficientes não vêm sem algum custo. A operação em modo de rajada pode ter efeitos adversos, e muitas vezes imprevistos, sobre as emissões de RF (Radiofrequência) e sobre a compatibilidade do produto final. Este artigo fornece uma visão geral dos possíveis problemas e algumas soluções possíveis.

Quando o Departamento de Energia (DoE, Department of Energy) dos EUA implementou os requisitos de eficiência do Nível VI em 2016, os fabricantes de equipamentos eletrônicos ao redor do mundo precisaram reagir — adotando novas estratégias para cumprir as rigorosas exigências de eficiência em modo ativo e para o consumo de energia em estado de repouso. Agora, com a iminente adoção da legislação do Código de Conduta (CoC, Code of Conduct) Nível 2 na União Europeia, uma tendência similar está ocorrendo. A nova legislação exigirá que a potência de entrada em vazio de alguns adaptadores externos se mantenha abaixo de meros 75mW, além de especificar um alvo de eficiência desafiador para operação a 10% da carga nominal.

A operação em modo de rajada é um modo operacional no qual o circuito de controle da fonte de alimentação e o circuito de comutação (e às vezes recursos adicionais) são desativados de forma intermitente quando a carga de corrente contínua (DC, Direct Current) está particularmente leve ou ausente. Pode-se pensar nessa característica como um sinal de controle que possui um ciclo de trabalho proporcional à carga, sobreposto ao sinal de comutação de modulação por largura de pulso (PWM, Pulse Width Modulation), que em si é essencialmente um trem de pulsos com um tempo de ativação proporcional à carga instantânea de corrente contínua. O sinal de “controle em rajada” simplesmente tem um período muito mais longo, de modo que vários dos pulsos PWM ocorrem durante uma única “rajada”.

Caso 1: Flutuação Excessiva de Tensão DC

Em um cenário com um cliente, várias unidades de fontes de alimentação (PSUs, Power Supply Units) falharam em parte do processo de inspeção inicial. O equipamento do cliente não iniciava quando a energia era aplicada por alguns dos conversores. Embora a tensão de saída ainda estivesse dentro da especificação de +/−5% do fabricante, a forma de onda associada à operação em modo de rajada acionou o equipamento para entrar em uma condição de bloqueio por subtensão e permanecer desligado. Para resolver o problema, o fabricante conseguiu ajustar o ponto de ativação do modo de rajada da PSU para ficar ligeiramente abaixo da carga de repouso em pior caso do equipamento. Como resultado, o cliente não precisou fazer nenhuma mudança em seu equipamento, conseguindo ainda assim atender aos requisitos de consumo de energia sem carga associados ao Nível VI do DoE.

Caso 2: Emissões de RF

Em outro exemplo, um cliente estava atualizando para uma nova fonte de alimentação compatível com o Nível VI durante uma reformulação de produto. Claro, o novo sistema precisava ser reavaliado em relação aos padrões atuais de segurança e compatibilidade eletromagnética (EMC, Electromagnetic Compatibility) para equipamentos de tecnologia da informação (ITE, Information Technology Equipment). Quando o laboratório de testes EMC estava avaliando o sistema, eles descobriram que ele excedia os limites de emissões enquanto estava em modo de espera, mas passava nos testes durante a operação normal do sistema. Isso criou um dilema, já que as fontes de alimentação normalmente exibem maiores emissões sob carga total. Contudo, uma avaliação mais detalhada revelou que a carga de repouso do cliente era tão baixa que a fonte de alimentação ainda estava operando em modo de rajada.

Como resultado da topologia ressonante dos conversores, as emissões da PSU eram extremamente baixas durante a operação normal e, na verdade, mais altas sob carga leve. Embora a fonte de alimentação tenha passado nos testes de emissão sob carga leve por conta própria, a margem de aprovação era de apenas alguns dB (decibéis). A combinação das emissões da fonte de alimentação e das emissões do equipamento sob essas condições foi suficiente para causar uma falha em nível de sistema. Uma revisão da operação em modo de rajada do circuito integrado de controle (IC, Integrated Circuit) revelou a raiz do problema.

Para esse chip de controle específico operando em modo de rajada, a frequência de comutação foi modulada em uma faixa ampla e não era fixa. A operação com frequência fixa foi restaurada sob cargas mais pesadas. As frequências de comutação sob carga leve não foram tão efetivamente atenuadas pelos filtros EMC dos conversores, que tinham sido projetados para a frequência de operação normal. Além disso, embora não fosse o caso nesta situação específica, a operação em modo de rajada de conversores de maior potência também é frequentemente acompanhada por uma desativação de qualquer circuito ativo de correção de fator de potência (PFC, Power Factor Correction), já que os regulamentos da série 61000 para correntes harmônicas não são aplicáveis a condições de operação com carga leve. Esse desligamento contribui para a liberação de conteúdo harmônico na rede elétrica e também, possivelmente, para radiadores externos (cabos) que, de outra forma, seriam mitigados pelo PFC ativo.

De forma semelhante ao primeiro cenário, o fabricante conseguiu ajustar o ponto de ativação do modo de rajada para um nível adequado para a aplicação, mantendo o consumo de energia sem carga dentro dos limites.

Com o uso crescente de produtos de conversão de energia em residências e escritórios ao redor do mundo, os mandatos de eficiência e os avanços tecnológicos que os tornam possíveis são absolutamente essenciais. Contudo, é importante considerar as ramificações dessas medidas de aumento de eficiência. Em ambos os casos apresentados neste artigo, a solução foi relativamente simples e exigiu pouquíssima reformulação. No futuro, à medida que os requisitos de eficiência se tornarem cada vez mais rigorosos e as tecnologias de fontes de alimentação se tornarem mais complexas, medidas adicionais precisarão ser consideradas para mitigar os efeitos colaterais trazidos por essas novas tecnologias.

Artigo original: https://www.powersystemsdesign.com/articles/burst-mode-operation-a-double-edged-sword/31/14595