Projecto — UC02955

Conversor Buck 24V → 5V/2A com MOSFET e Controlo PWM

Duração total: 10 horas | Modalidade: Individual ou pares | Avaliação: 0–20 valores

Contexto

O departamento de electrónica precisa de uma fonte de alimentação comutada (SMPS) de 5V/2A para alimentar um sistema de sensores numa linha de produção. O circuito existente usa um regulador linear 7805 que dissipa 38W de calor (inaceitável num ambiente fechado). A solução proposta é um conversor buck de alta eficiência com MOSFET e controlo PWM.

Especificações: - V_in: 24 V DC (do barramento de automação) - V_out: 5,0 V ±0,1 V (regulação de linha e carga) - I_out: 0,1–2,0 A - Eficiência esperada: ≥ 90% - Protecção: contra curto-circuito e sobretemperatura

Componentes disponíveis: - IC PWM: TL494 ou SG3525 (controlador PWM genérico, f_sw ajustável) - MOSFET: IRF540N (100V, 33A, R_DS(on) = 44 mΩ) - Díodo Schottky: MBR2060CT (60V, 20A) - Indutor: 100 µH / 3A (wound on ferrite core) - Condensadores: 100 µF / 25V electrolítico + 10 µF / 10V cerâmico - Driver de MOSFET: TC4420 (9A peak, 18V max)

Parte 1 — Design e Cálculos (2h)

a) Calcule e verifique o duty cycle nominal para V_in = 24V e V_out = 5V.

b) Verifique se o indutor de 100 µH / 3A é adequado (calcule ΔI_L com f_sw = 200 kHz).

c) Calcule as perdas totais esperadas no MOSFET e no díodo Schottky.

d) Calcule a temperatura de junção do MOSFET (R_th,jc = 1,47 °C/W, sem dissipador, T_a = 40°C).

e) Calcule a eficiência esperada do conversor.

Parte 2 — Esquema de Circuito (2h)

a) Descreva o esquema completo do conversor buck com todos os componentes, incluindo o controlador PWM TL494, o driver TC4420 e os componentes de potência.

b) Explique o papel de cada bloco funcional: feedback (divisor resistivo), referência de tensão, oscilador RC, comparador PWM, gate driver, snubber.

c) Calcule os valores de R e C do oscilador do TL494 para obter f_sw = 200 kHz.

d) Calcule os valores do divisor resistivo de feedback para V_out = 5V (referência interna TL494 = 2,5V, R1 = 10 kΩ).

Parte 3 — Montagem e Testes (3h)

a) Descreva o procedimento seguro de montagem do circuito.

b) Elabore o plano de testes com valores esperados e procedimento para cada medição.

c) Simule (descreva) os resultados de um teste da resposta a carga: V_out com I_out = 0 A, 0,5 A, 1 A e 2 A.

d) Descreva como medir a eficiência em dois pontos de carga.

Parte 4 — Simulação LTspice (1,5h)

a) Descreva como simular o conversor buck no LTspice, incluindo os componentes necessários e as directivas de simulação.

b) Que formas de onda deveria observar na simulação: V_out, V_L, I_L, V_gate?

c) Como ajustaria a simulação para observar a resposta transiente a um degrau de carga (de 1A para 2A)?

Parte 5 — Relatório Técnico (1,5h)

Elabore o relatório completo do projecto com: especificações, cálculos de dimensionamento, esquema descrito, plano de testes com resultados simulados, análise de eficiência e comparação com regulador linear, e conclusões.

Critérios de Avaliação

Projecto — UC02955 — TMIM — Aulify