Ee Francisco Lopes Da Silva

Guia prático de projeto de fontes chaveadas com o engenheiro Francisco Lopes da Silva

Muita gente pergunta sobre fontes chaveadas de baixo ruído e como realmente colocar uma para funcionar sem queimar componente nenhum no processo. O Francisco Lopes da Silva publicou um material bem técnico sobre o tema que eu li e apliquei no meu bancada há uns dois anos. Vou explicar como funciona na prática, porque a teoria sozinha não resolve nada quando você está soldando no componente. Ele é engenheiro eletricista com foco em eletrônica de potência. O material dele não é introdutório. Se você está começando agora, talvez não vá entender tudo de primeira. O que ele entrega são esquemas completos, simulações no LTspice e dicas de layout que normalmente ficam de fora dos livros didáticos. Encontrei o conteúdo original pelo LinkedIn e depois por um grupo de Telegram onde engenheiros compartilham projetos reais. Os arquivos estão disponíveis gratuitamente, mas a página às vezes sai do ar por falta de servidor próprio. Deixa eu te passar um link direto mais abaixo. O guia principal dele trata de conversores buck com controle em modo de corrente. O diferencial é que ele mostra os efeitos parasitas do layout que ninguém comenta. Indutância de loop, acoplamento capacitivo entre o switch e o terra de potência, tudo isso é abordado de forma direta. Eu fiz o mesmo projeto usando apenas o datasheet do controller que eu já conhecia e a fonte gerava ripple de 120mV pico a pico. Depois que segui o layout sugerido pelo Francisco, caiu para 18mV. A diferença é pura questão de posicionamento dos capacitores de entrada e do retorno do terra de sinal.

Um problema específico que eu tive foi com a estabilidade do loop de controle. O regulador oscilava quando a carga caía para menos de dez por cento da nominal. O datasheet prometia estabilidade em qualquer condição, mas na prática não funcionava. Eu testei várias combinações de compensação, coloquei resistor em série com o capacitor de compensação, tentei adicionar zero e polo. Nada resolvia de forma limpa. A solução que funcionou foi a que o Francisco descreve numa nota de rodapé: mudar o valor do resistor de sensed em série com o indutor para aumentar a margem de fase em carga leve, combinado com um capacitor adicional de dez nanofarads em paralelo com o resistor de feedback. Isso mudou completamente o comportamento transitório. Aqui está o link direto para os arquivos: www.flopesdasilva.ee/downloads. Se o link não estiver funcionando, tente acessar pelo GitHub do projeto. Os arquivos PCB em formato Gerber estão organizados por topologia.

Como baixar e usar o material corretamente

O processo de download é simples mas tem pegadinha. Os arquivos vêm em três partes: o esquema esquemático em PDF, a simulação LTspice e o layout PCB em Altium. Se você não tiver Altium, avise que eu aviso que dá pra converter, mas o layout foi feito pensando em placa de duas camadas com trilha de potência de um onçe. Recomendo manter essa especificação. Comece pela simulação. Execute o arquivo .asc no LTspice e deixe-o rodar por pelo menos dois segundos de simulação. Os transientes iniciais são importantes para ver o comportamento de partida. Anote os valores de Vripple e o tempo de estabelecimento. Na minha primeira execução, a simulação mostrou um pico de tensão de 15% acima do nominal durante o startup. Isso é normal e esperado. O que chama atenção é quando o pico sobe para mais de 30%, aí algo está errado no circuito ou na simulação.

montagem e ajuste fino

A montagem pede algumas escolhas. O indutor recomendado é de 47 microhenry com núcleo de pó de ferro, não de ferita. Pó de ferro tem perdas menores em frequência de chaveamento alta e não satura tão abruptamente. Eu testei os dois tipos e a diferença na eficiência foi de cerca de oito pontos percentuais em carga nominal. O capacitor de saída deve ser de polímero condutivo, não eletrolítico comum. Eletrolítico emona de alta frequência gera ESR alto e o ripple sobe rapidamente. O custo é maior mas o resultado é visível. O ponto mais crítico é o grounding. O terra de potência e o terra de sinal devem se encontrar em um único ponto, perto do terminal negativo do capacitor de entrada. Qualquer outro caminho gera loop de terra que acopla ruído diretamente ao circuito de feedback. Eu já vi gente fazer o contrário, conectar os terras em pontos diferentes da placa, e reclamar do ruído. Não adianta colocar ferrite bead depois. O problema é estrutural.

Limitações que ninguém menciona

O projeto do Francisco tem algumas limitações importantes. Ele foi otimizado para entradas entre oito e vinte e quatro volts. Se você usar entrada acima disso, o dissipador de calor do MOSFET pode não ser suficiente sem troca térmica forçada. A eficiência cai para perto de oitenta por cento em vinte e quatro volts de entrada com carga máxima. Para aplicações automotivas com bateria de carro, o ideal é usar o projeto buck-boost que ele também disponibiliza, senão o conversor entra em proteção de sobretensão constantemente. Outro ponto é o preço dos componentes. O MOSFET recomendado é de SiC, que custa cerca de três vezes mais que um MOSFET de silício convencional. Se o orçamento for apertado, dá pra substituir por um MOSFET de silício com Vgs threshold baixa, mas aí a dissipação aumenta e o ripple também sobe alguns milivolts. Em muitas aplicações isso não faz diferença prática, mas em circuitos de áudio ou instrumentação sensível faz. Se o seu caso for de baixa potência, abaixo de cinco watts, talvez o melhor seja usar um módulo pronto. O circuito discreto do Francisco brilha acima de quinze watts, onde o custo dos componentes se paga pela eficiência e pelo controle total do projeto. Abaixo disso, um módulo como os da Torex ou da Monolithic Power Systems resolve com menos dor de cabeça e sem necessidade de simulação.

diagnóstico de problemas comuns

Se a sua fonte não inicia, verifique primeiro a tensão de gate do MOSFET. Ela deve chegar a pelo menos dez volts em relação ao source. Se estiver abaixo disso, o transistor não abre completamente e esquenta rápido. Problema comum em versões Caseirinhas que usam reguladores lineares de bootstrap mal dimensionados. A solução é usar um driver de gate dedicado, como o TC4420, que fornece corrente suficiente para comutar o MOSFET em microssegundos. Se o ripple estiver alto, verifique a solda dos capacitores de saída. Solda fria gera resistência série efetiva alta. Use ferro de solda de pelo menos sessenta watts e pasta de solda com fluxo ativo. Nada de estanho chapado sem flux.

Se o conversor oscilar em carga leve, ajuste o resistor de compensação conforme a nota técnica do Francisco. O valor exato depende da variação do indutor e da tolerância dos capacitores. Meça com multimetro verdadeiro RMS, não com osciloscópio em modo peak detect. O modo peak detect mostra valores muito maiores que a realidade RMS. O material está disponível no site mencionado e também num repositório aberto. Não custa nada e é um dos melhores recursos em português sobre o assunto. Se tiver dúvida específica, o próprio Francisco responde nos comentários do GitHub. Ele é direto mas sempre útil.