Ficha de Trabalho 2 — UC02955

Conversor Buck e Gestão Térmica

Duração: 90 minutos | Consulta: Sebenta, datasheets fornecidos | Calculadora: Obrigatória

Grupo I — Verdadeiro / Falso (20 pontos)

Num conversor buck, o duty cycle D é directamente proporcional à tensão de saída. ___
Um conversor boost (elevador) em modo de condução contínua tem a relação V_out = V_in / (1-D). ___
No modo de condução descontínua (DCM) de um conversor buck, a tensão de saída é sempre superior ao do modo CCM para o mesmo duty cycle. ___
A pasta térmica diminui a resistência térmica entre o componente e o dissipador, preenchendo as micro-irregularidades das superfícies. ___
Um MOSFET com R_DS(on) = 50 mΩ a conduzir 10 A tem perdas de condução de 5 W. ___
Para um conversor buck com V_in = 24V, V_out = 12V, o duty cycle ideal é 50%. ___
O díodo freewheeling num conversor buck conduz quando o switch principal está fechado (ON). ___
Aumentar a frequência de comutação de um conversor buck permite usar um indutor de menor valor de indutância. ___
No cálculo da temperatura de junção, as resistências térmicas em série somam-se linearmente. ___
O dead time num inversor deve ser configurado ao valor mínimo possível para maximizar a eficiência (menos harmónicas). ___

Grupo II — Dimensionamento de Conversor Buck (40 pontos)

Problema — Conversor Buck 24V → 5V / 2A

Projecto de um conversor buck com as seguintes especificações: - V_in = 24 V DC (±10%: mínimo 21,6V, máximo 26,4V) - V_out = 5 V ±2% - I_out = 0,5 A a 2 A (variável) - Ondulação de corrente ΔI_L ≤ 20% de I_out_max = 0,4 A - Ondulação de tensão ΔV_out ≤ 50 mV - Frequência de comutação f_sw = 200 kHz

a) Calcule o duty cycle nominal e os limites (para V_in_min e V_in_max).

b) Calcule o valor mínimo de indutância L para garantir ΔI_L ≤ 0,4 A no pior caso (V_in máximo).

Use: $$L = \frac{(V_{in,max} - V_{out}) \times D_{min}}{f_{sw} \times \Delta I_L}$$

c) Calcule o valor mínimo de condensador de saída para ΔV_out ≤ 50 mV.

Use: $$C_{out} = \frac{\Delta I_L}{8 \times f_{sw} \times \Delta V_{out}}$$

d) A corrente de pico no MOSFET é I_out + ΔI_L/2. Calcule I_peak e verifique se um MOSFET IRF540N (100V, 33A, R_DS(on) = 44 mΩ) é adequado.

e) Calcule as perdas de condução do MOSFET (P_cond = R_DS(on) × I_rms² onde I_rms ≈ I_out × √D para conversor buck).

Grupo III — Verificação de Dissipação Térmica (40 pontos)

Exercício — Dimensionamento do Sistema de Arrefecimento

O conversor buck do Grupo II usa: - MOSFET IRF540N com perdas totais estimadas P_d = 0,8 W (condução + comutação) - Díodo Schottky MBRS360 (3A, 60V) com perdas de condução P_d_diodo = 0,6 W

Dados dos datasheets: - IRF540N: R_th,jc = 1,47 °C/W; T_j,max = 175°C - MBRS360: R_th,jc = 25 °C/W; T_j,max = 125°C - Temperatura ambiente máxima: 60°C

a) Para o MOSFET sem dissipador (bare PCB), calcule a temperatura de junção. Use R_th,cs = 5 °C/W (cárter TO-263 → PCB sem dissipador).

b) A temperatura calculada é aceitável? Se não, qual a resistência térmica máxima dissipador-ar (R_th,sa) necessária se usar um dissipador com R_th,cs = 0,5 °C/W?

c) Para o díodo MBRS360 (encapsulamento SMB em PCB), calcule a temperatura de junção sem dissipador especial. R_th,cs (SMB → PCB) = 10 °C/W.

d) Proponha o layout de PCB adequado para minimizar as resistências térmicas (área de cobre, vias de calor).

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