Laboratório LTspice: Dinâmica de corrente e tensão do conversor Buck

Oct 05, 2023

No artigo anterior, Compreendendo a regulação do modo de comutação: o conversor Buck, apresentei e expliquei a implementação LTspice do estágio de potência de um regulador de comutação redutor ilustrado na Figura 1.

Este artigo investigará a atividade elétrica do circuito em relação aos dois estados da chave – Ligado e Desligado.

Quando a forma de onda de controle da chave (VSWITCH no esquema) é logicamente alta, a chave é ligada. Isso permite que a corrente flua livremente da fonte de entrada para a parte direita do circuito (Figura 2).

Como você pode ver na Figura 2, a corrente de alimentação flui através da chave, S1, e do indutor, L1, a caminho do capacitor, C1, e do resistor de carga. A corrente através do indutor está aumentando e o indutor está “carregando”, ou seja, a quantidade de energia armazenada em seu campo magnético está aumentando. A corrente do indutor é distribuída ao capacitor e à carga.

Observe que o diagrama não mostra nenhuma corrente fluindo para o diodo. Durante o estado ligado, a queda de tensão na chave é quase zero e, conseqüentemente, a tensão no diodo é aproximadamente igual ao VIN. Assim, o diodo é polarizado reversamente e atua como um circuito aberto.

Vamos considerar cuidadosamente as informações contidas no gráfico de vários painéis da Figura 3 quando a chave é ligada. Discutiremos cada subtrama começando na parte inferior e seguindo até o topo.

Começando de baixo, sabemos que estamos ligados porque a tensão (12 V) no diodo, V(d1), é igual à tensão de entrada.

A corrente do indutor, I(L1), está aumentando e o indutor está carregando. Observe que o valor mínimo do eixo vertical neste gráfico é 80 mA, e não 0 mA. Embora a chave bloqueie completamente a corrente de entrada no estado desligado, o indutor garante que quantidades significativas de corrente continuem a fluir na parte direita do circuito.

A corrente que flui para o capacitor, I(C1), também está aumentando. O capacitor começa a carregar (e sua tensão aumenta) quando I(C1) ultrapassa 0 mA e se torna positivo.

A corrente de carga, I(Load), é estável no valor médio da corrente do indutor. Como a corrente de carga permanece tão estável quando a corrente do indutor aumenta e diminui com 140 mA de ondulação? Os únicos dois caminhos para a corrente do indutor são a resistência da carga e o capacitor C1, portanto a resposta deve envolver C1.

Se você ponderar o gráfico I(C1), verá que o capacitor compensa continuamente os desvios da corrente do indutor. Por exemplo, quando I(L1) é 80 mA, I(C1) é –70 mA, onde o sinal negativo significa que o capacitor está fornecendo 70 mA. A carga recebe 80 mA do indutor mais 70 mA do capacitor, resultando em uma corrente total de 150 mA.

Porém, quando I(L1) é 220 mA, I(C1) é +70 mA, onde o sinal positivo significa que o capacitor está absorvendo 70 mA. Assim, a carga fica 220 mA – 70 mA = 150 mA.

A tensão de saída, V(vout), que também é a tensão através do capacitor, exibe uma ondulação de baixa amplitude em torno de sua tensão média. No gráfico da tensão de saída, ampliei o eixo y para destacar a ondulação da tensão.

Observe que a tensão começa a aumentar quando a corrente do capacitor ultrapassa 0 mA. Isto faz sentido – nesta simulação, a corrente positiva do capacitor é a corrente que flui para dentro do capacitor e, portanto, faz com que sua tensão aumente.

Os aproximadamente 6 V na saída são aproximadamente metade dos 12 V de entrada. O conversor buck realmente reduziu a tensão, conforme desejado.

Quando a chave S1 está desligada, a corrente continua a fluir na parte direita do circuito, conforme ilustrado na Figura 4. Porém, essa corrente não pode vir da fonte de entrada e também não pode vir de em lugar nenhum. Em vez disso, ele circula, com a ajuda do diodo D1.

Quando a chave é desligada, o indutor L1 funciona como uma fonte em vez de uma carga. O indutor mantém o fluxo de corrente apesar da perda da alimentação de entrada, mas sua corrente está diminuindo.