TC4428 C01

Há algum tempo tenho feito estudos sobre MosFET Drivers. Esses chips são muito interessantes. Existem vários tipos, um para cada tipo de aplicação. Servem para MosFET de potência ou  até de alta tensão ! São bem versáteis. Esses chips fazem o controle dos MosFETs, conectando as portas de entrada em um outro circuito que pode ser um Microcontolador ou um circuito dedicado. Eles fornecem as tensões necessárias para ativar ou desativar os MosFETs e sempre no tempo correto.

Comecei a estudá-los quando estava pesquisando sobre Drivers de motor sem escova (BLDC). Com um chip desses, pode-se montar uma meia ponte H. Assim nos Drivers BLDC são necessários 3 meia pontes. E para controlar motores com escova, usa-se uma ponte H completa.  Os MosFET drivers podem ser usados em inúmeras aplicações. E nesse tópico, estou expondo o que aprendi  ao montar um Regulador  CC abaixador de Tensão (Step Down). Apanhei um bocado, mas consegui. Aprendi muita coisa interessante.

Funcionamento do Regulador chaveador CC abaixador de Tensão

Step down (BUCK Converter) 

Existem vários tipos de Reguladores chaveadores para corrente contínua ( conversores de Tensão CC) .  Conversor BUCK (abaixador de tensão) , BOOST (elevador de tensão), BUCK-BOOST (dupla função), e vários outros  mais específicos e mais complexos.

Os conversores BUCK , como o usado nesse projeto, normalmente tem eficiência alta (> 90%) por isso são muito melhores do que os reguladores passivos (como o 7805) .  Dependendo dos componentes usados, podem suportar alta corrente.  Quanto maior a frequência usada no chaveamento dos MosFETs, menor será a ondulação na tensão (ripple).  Com o ajuste da largura do pulso (PWM) consegue-se determinar a tensão de saída com precisão.

Os componentes básicos usados no Buck , são os MosFETs para chavear para o positivo e negativo da fonte de alimentação (gerando a onda quadrada), o indutor para gerar a tensão induzida, o capacitor para filtrar a saída e o diodo Schottky para ceifar a tensão espúria induzida.

Como a tensão e a corrente em um indutor são defasadas, esse princípio é usado para gerar a tensão na saída quando a “chave” (MosFET) é aterrada.  A tensão é gerada pelo campo magnético armazenado no indutor quando a corrente passa por ele.  Somando essa tensão com a tensão que é fornecida durante a “chave” conectada no VCC, consegue-se potência na saída. (essa é a minha explicação resumida).

Conversores BUCK – modos de operação e formas de onda :

Buck conveter

Referência sobre Reguladores CC

Referência Conversor BUCK

Se for de seu interesse, veja um chip dedicado Regulador de Tensão CC – step down :

Datasheet do Regulador LM2679

Low Side Driver e High Side Driver

Primeiramente gostaria de explicar o que é um circuito Low side (lado de baixo) e High side (lado de cima) . Esses circuitos são  configurações possíveis de polarização dos dois tipos de MosFETs ( N-Channel e P-Channel).

Na configuração Low Side Driver, o MosFET N-Channel fica montado na parte inferior do circuito. E a carga fica na parte superior. E na configuração High Side Driver, o MosFET P-Channel fica na parte superior e a carga na parte inferior, isto é , os circuitos são inversos um do outro.

Referência de Low Side e High Side

Low side High side

Mosfet Driver TC4428 

A tradução do nome desse chip é Controlador(driver) de MosFET de potência com alta velocidade. Ele suporta correntes de pico de até 1,5A. As entradas são compatíveis com os níveis lógicos TTL e CMOS ( Microcontroladores, por exemplo). Podem ser alimentados com tensões de 4,5V até 18V e as saídas tem baixa impedância.

Datasheet do TC4428

Essa é a pinagem do chip TC4428. Veja que o driver de cima inverte o sinal e o de baixo não inverte. É importante sempre ter isso em mente, pois ativando os dois MosFETs ao mesmo tempo, pode-se fechar um curto-circuito na fonte.

TC4428

Circuito Regulador CC abaixador de Tensão (Step Down) 

Esse é o circuito que eu montei e funcionou ! Ainda não tem um controle automático de tensão através do monitoramento da saída. (todos reguladores CC Step down tem um circuito de realimentação para estabilizar a tensão de saída, independentemente da tensão de entrada). Como a tensão de entrada no regulador é constante (usei uma fonte externa – carregador de celular Nokia antigo), dependendo dos pulsos de controle das portas INA e INB, consegue-se ter uma variação bem grande de tensão na saída. Se a tensão de entrada for estável , a saída também será estável.

Essa Nota de Aplicação da Microchip tem informações importantes sobre regulador de tensão usando MosFET Drivers :

Driving Power MOSFETs 

Na saída A (/Out A) do TC4428 é usado um circuito High Side e na saída B (Out B) , um circuito Low Side.

Usei dois MosFETs que eu tinha em casa, mas pode-se usar outros tipos, desde que sejam compatíveis. O indutor L1, eu também o tinha (devo ter retirado de alguma outra fonte).

Muita atenção ao montar os MosFETs ! Veja que os pinos (drain e source) do Q1 estão na posição inversa do Q2 ! Queimei uma saída de um chip TC4428, ao montar incorretamente o Q1.

Q1 – IRFR9010 – Power MosFET P-Channel – Datasheet

Q2 – IRFR010 – Power MosFET N-Channel – Datasheet

D1 – Diodo Schottky IN5822 – Datasheet

Regulador CC TC4428

Diagrama do Regulador no FLICKR

Veja que nas entradas INA e INB do TC4428 tem resistores de pull down, isto é, se não houver sinal na entrada, as mesmas sempre estarão no nível baixo. Isso é importante para não provocar um curto nos MosFETs Q1 e Q2, no caso das portas ficarem flutuando. Os resistores na entrada R1 e R2 são usados para proteção das portas de saída do Arduino. Recomendo que usem eles também.

Sketch Arduino – Regulador CC ( Step Down ) 

Fiz esse sketch o mais simples possível, para facilitar o entendimento. Dois pulsos negativos para Q1 e um pulso positivo para Q2, alternadamente.

// TC4428 Power Mosfet Driver
// ARDUINO NANO - IDE 1.6.13
// Gustavo Murta 20/mar/2017

int INA = 2;                 // TC4428 INA conectado no pino D02
int INB = 3;                 // TC4428 INB conectado no pino D03

void setup()
{
  pinMode(INA, OUTPUT);      // Configura INA como saida
  pinMode(INB, OUTPUT);      // Configura INB como saida
}

void loop()
{
  digitalWrite(INA, HIGH);     // INA ativa alto
  delayMicroseconds(5);        // atraso de microsegundos
  digitalWrite(INA, LOW);      // INA desativa baixo
  digitalWrite(INA, HIGH);     // INA ativa alto
  delayMicroseconds(5);        // atraso de microsegundos
  digitalWrite(INA, LOW);      // INA desativa baixo
  digitalWrite(INB, HIGH);     // INB ativa alto
  delayMicroseconds(5);        // atraso de microsegundos
  digitalWrite(INB, LOW);      // INB desativa baixo
}

Formas de ondas do Regulador CC ( Step Down )

Analisando o circuito através das formas de onda.

Como já havia citado, o driver de cima do TC4428 é um inversor de sinal.

CH1 = INA (pino 2 do TC4428)      CH2 = /OUTA (pino 7 do TC4428)

Screen Capture

Mas o driver de baixo não é um inversor :

CH1 = INB (pino 4 do TC4428)      CH2 = OUTB (pino 5 do TC4428)

Screen Capture

Lembrando-se que não podemos ativar os dois MosFETs ao mesmo tempo, senão haverá um curto-circuito na fonte. Portanto no meu programa, um MosFET é acionado de cada vez, sequencialmente. Nesse programa, gerei dois pulsos negativos de 5 us na entrada de Q1 e um pulso positivo de 5us na entrada de Q2. Q1 é ativado quando recebe pulsos negativos no gate e Q2 é ativado quando os pulsos são positivos. ( High side Driver e Low Side driver) .

TC4428 pino7 e pino5 .JPG

A tensão PWM Positiva gerada no dreno de Q1 confirma que quando o pulso é negativo, o MosFET Q1 é ativado. Creio que esse pico de tensão é gerado pelo indutor.

CH1 = gate de Q1     CH2 = dreno de Q1

 

Q1 gate e dreno.JPG

Para Q2 , o acionamento ocorre quando o pulso é positivo. Quando Q2 é acionado, ele aterra o circuito , isto é , a tensão é praticamente Zero volts.

CH1 = gate de Q2     CH2 = dreno de Q2

Q2 gate e dreno.JPG

O objetivo desse circuito é gerar tensões CC através dos pulsos gerados pelo Arduino. É muito legal poder gerar essas tensões com uma precisão muito boa. Posso variar a tensão do regulador entre 0V e até quase 5V. Não calculei a eficiência desse circuito, mas sei que ela geralmente é bem alta ( > 80%) . No caso desse Sketch, consegui gerar uma tensão CC regulada e estabilizada de 2,928 V. Mas como não fiz um monitoramento da tensão de saída, se a tensão de entrada variar, a tensão de saída também será alterada. Para implementar isso, será necessário fazer medições com o conversor ADC do Arduino e acrescentar um código que faça as correções na tensão. Mais um desafio…

 

 

 

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