Tensão de partida nas fontes chaveadas

Publiquei um vídeo no YouTube onde analisamos uma fonte chaveada com defeito no VCC do CI PWM. Para complementar o conteúdo do vídeo publiquei esse artigo, onde abordo a tensão de partida nas fontes chaveadas e exploro os erros mais comuns que ocorrem no VCC do CI PWM.

Tensão de partida nas fontes chaveadas

A tensão de partida desempenha um papel fundamental nas fontes chaveadas. É graças a tensão de partida que o CI PWM inicia o funcionamento. A tensão de partida é fornecida pelo circuito de partida. Qualquer fonte chaveada, cujo CI PWM é alimentado pelo enrolamento auxiliar do transformador, tem o circuito de partida. A figura abaixo mostra um diagrama simplificado de uma fonte chaveada típica, incluindo os principais elementos que serão abordados neste artigo.

O circuito de partida fica entre o pino VCC do CI PWM e a tensão na entrada da fonte. Em alguns casos, o circuito de partida é somente um resistor de alto valor, chamado de Rstart.

A função do circuito de partida é fornecer uma baixa corrente para carregar o capacitor conectado no pino VCC do CI PWM, esse capacitor por vezes é chamado de capacitor auxiliar ou capacitor de VCC, chamaremos de capacitor de VCC. No momento da partida, a tensão armazenada no capacitor de VCC garante o funcionamento do CI PWM até surgir tensão no enrolamento auxiliar para alimentar o CI.

O circuito de partida pode ser externo ou interno ao CI PWM. Quando o circuito de partida é externo teremos ao menos um resistor de alto valor conectado entre a tensão de entrada e o capacitor de VCC. Quando o circuito de partida é interno ao CI PWM, teremos um pino do CI PWM conectado na tensão de entrada. 

A vantagem do circuito de partida interno é que após executar a partida o circuito de partida é desligado, evitando o fluxo de corrente desnecessário no circuito de partida.

Histerese start e stop

O pino VCC do CI PWM tem uma histerese ou uma faixa de tensão definida por dois níveis chamados de start e stop. Essa histerese garante um tempo suficiente para que a tensão do enrolamento auxiliar chegue ao capacitor de VCC no momento da partida. O valor de tensão dos níveis start e stop podem ser encontrados no datasheet do CI PWM. Geralmente o start fica em torno de 15V e o stop fica em torno de 10V.

Dependendo do fabricante do CI PWM, os níveis start e stop podem ter nomes diferentes como, VCCon e VCCoff, Start-up e UVLO, etc. Aqui usaremos os nomes start e stop, por ser mais fácil relacionar esses nomes com o start das fontes chaveadas.

Para iniciar o funcionamento do CI PWM, a tensão de partida tem que subir até o nível de start, mas se após o CI começar a funcionar a tensão cair até o vível de stop, o CI para de funcionar.

O valor do nível de stop é definido pela proteção UVLO, que é a proteção por subtensão ou por baixa tensão de alimentação. Essa proteção determina qual é a menor tensão que o CI PWM pode funcionar sem prejudicar a polarização do MOSFET chaveador. Note que a amplitude do PWM na saída do CI depende da tensão no pino VCC, se a tensão de VCC diminuir a amplitude do PWM também diminui.

Funcionamento do circuito de partida

Quando a fonte é conectada a rede elétrica, o capacitor de entrada se carrega com os picos da tensão AC gerando uma tensão DC em torno de 170V (na rede de 127VAC) ou em torno de 300V (na rede de 220VAC). Essa tensão DC passa pelo primário do transformador e chega ao dreno do MOSFET chaveador. Nesse instante a fonte ainda não está funcionando e, portanto, não teremos tensão no enrolamento auxiliar para alimentar o CI PWM. Nesse momento entra em ação o circuito de partida.

O circuito de partida funciona da seguinte maneira: ao conectar a fonte à rede, o circuito de partida carrega o capacitor de VCC fazendo a tensão subir lentamente. Assim que a tensão atinge o nível de start, o CI começa a funcionar e consome a carga acumulada no capacitor, fazendo a tensão cair. Antes que a tensão caia no nível de stop, surge tensão no enrolamento auxiliar e repõe a carga do capacitor. A partir daí o CI é alimentado pelo enrolamento auxiliar e o circuito de partida não é mais utilizado.

É importante notar que durante a partida o CI PWM é alimentado pela carga armazenada no capacitor de VCC e não pelo circuito de partida. Repare que o circuito de partida não consegue alimentar o CI, uma vez que a corrente é muito baixa. A função do circuito de partida é somente carregar o capacitor de VCC até o nível de start.

Análise da tensão de partida

Saber analisar a tensão de partida é fundamental para identificar os diversos defeitos que ocorrem nas fontes chaveadas. A maioria dos defeitos que ocorrem nas fontes chaveadas provocam erros na tensão de partida. A interpretação correta desses erros nos conduz ao setor da fonte que está com defeito.

Listei abaixo os erros mais comuns que podem ocorrer na tensão de partida e as possíveis causas. Nas figuras dos osciloscópios considere o volts/div ajustado em 5V e o sec/div ajustado em 100ms. Esse é o ajuste ideal para analisar a tensão de partida.

1 – Funcionamento normal

Quando a fonte está funcionando normal, ao conectar a fonte à rede a tensão de partida sobe até o nível de start e em seguida começa a cair. Mas antes de atingir o nível de stop, surge tensão no enrolamento auxiliar mantendo a tensão acima do nível de stop.

É bom saber que a tensão do enrolamento auxiliar pode ter qualquer valor entre o nível de stop e o nível de OVP. Geralmente a tensão fica em um nível intermediário para garantir uma faixa de tensão acima do stop e abaixo do OVP.

2 – Após atigir o start a tensão sobe excessivamente e cai até o stop

Esse é o erro mais fácil de identificar qual setor da fonte está com defeito. Se a tensão sobe excessivamente após atingir o start, significa que a tensão gerada no enrolamento auxiliar está muito alta. Isso acontece quando tem uma falha no circuito de controle. O circuito de controle inclui basicamente um foto acoplador e um CI regulador 431. Basta então analisar esse circuito.

3 – A tensão sobe e fica abaixo do nível de start

Considerando que a corrente fornecida pelo circuito de partida é muito baixa, nenhum consumo pode ocorrer durante a carga do capacitor de VCC. Qualquer consumo, por menor que seja, pode impedir a tensão de subir até o nível de start.

Portanto, quando a tensão de partida fica abaixo do nível de start significa que tem uma fuga no VCC. Essa fuga pode estar no CI PWM ou em algum componente conectado no pino VCC. Para definir, basta soltar o pino VCC do CI e medir a tensão. E para essa medição é importante observar se o circuito de partida é externo ou interno ao CI PWM.

Com circuito de partida externo deve-se medir a tensão no capacitor de VCC, se a tensão subir acima do start a fuga é interna e se a tensão continuar baixa a fuga é externa. Com circuito de partida interno deve-se medir a tensão no pino VCC, se a tensão subir acima do start a fuga é externa e se a tensão continuar baixa a fuga é interna.

Em alguns casos, é possível fazer a fonte funcionar forçando o start com uma fonte externa. Para isso, basta conectar a fonte à rede e aplicar uma tensão no capacitor de VCC levemente maior que o nível de start. Essa tensão deve ser aplicada momentaneamente, apenas para iniciar o funcionamento do CI.

4 – A tensão sobe e fica acima do nível de start

Quando a tensão de partida sobe e estabiliza acima do nível de start sem ocorrer nenhuma queda na tensão, significa que a alimentação interna do CI PWM não foi ligada. Esse é o defeito mais fácil de definir, apenas com essa medição é possível determinar o componente com defeito. Perceba que quando a tensão de partida atige o nível de start, o CI PWM tem que consumir a carga armazenada no capacitor de VCC. Se isso não acontecer o CI está com defeito.

Agora, se não soubermos o valor do start podemos ficar na dúvida se a tensão parou acima ou abaixo do start. Se a tensão parar abaixo do start o defeito será uma fuga no VCC e se a tensão parar acima do start o defeito será o CI PWM. Por isso é importante consultar o datasheet do CI PWM para saber o valor do start.

De modo geral, os CIs PWM tem o nível de start abaixo de 20V, pelo menos ainda não analisei um CI PWM com o nível de start acima de 20V. Assim, se a tensão de partida subir e estabilizar acima de 20V, podemos concluir que o CI está com defeito.

Porém, se a tensão de partida subir e estabilizar abaixo de 20V e não soubermos o valor do start, ficaremos na dúvida se é uma fuga no VCC ou se é o CI com defeito. Para tirar a dúvida podemos aplicar uma tensão no pino VCC acima do valor que está no circuito, como já foi explicado no tópico anterior. Se mesmo assim o CI PWM não funcionar, então o CI está com defeito.

5 – A tensão sobe até o start e cai até o stop

Quando a tensão de partida sobe até o start e cai suavemente até o stop, significa que o CI PWM não está gerando PWM ou a tensão do enrolamento auxiliar não está chegando até o capacitor de VCC. Vamos analisar cada uma dessas situações.

O CI PWM gera PWM

Quando o CI gera PWM, mas a tensão no pino VCC fica pulsando entre o start e o stop, significa que a tensão do enrolamento auxiliar não está chegando até o capacitor de VCC. Nesse caso o defeito está no circuito entre o enrolamento auxiliar e o pino VCC do CI PWM.

Outro motivo que também pode impedir a tensão do enrolamento auxiliar de chegar até o capacitor de VCC, é se a tensão do enrolamento auxiliar ficar abaixo do nível de stop. Isso pode acontecer se o circuito de controle diminuir muito as tensões geradas na fonte. Nesse caso, teremos um defeito no circuito de controle.

O CI PWM não gera PWM

Quando o Ci não gera PWM não teremos tensão no enrolamento auxilar, com isso a tensão no pino VCC ficará pulsando entre o start e o stop. Nesse caso, o defeito provavelmente estará no circuito conectado no pino FB.

O pino FB é conectado ao circuito de controle, que inlui o foto acoplador e o regulador 431. Quando o foto acoplador conduz, a tensão do pino FB diminui fazendo diminuir a largura T-ON do PWM, ou seja, a largura do tempo ativo do PWM. Quanto mais baixa for a tensão do pino FB, menor será a largura T-ON do PWM. Se a tensão do pino FB cair para 0V, o T-ON do PWM será totalmente desativado, em outras palavras, o PWM será desligado.

Então, quando o VCC fica pulsando entre o start e o stop e não surge PWM, se tiver 0V no pino FB podemos ter um defeito no circuito conectado no pino FB. Mas se o pino FB estiver alto, o defeito pode estar no próprio CI ou pode ter algum pino de proteção monitorando a tensão na entrada da fonte. Se a tensão nesse pino estiver baixa o PWM fica desligado.

Também podemos encontrar essa situação no pino VCC caso o PWM seja desligado logo após a partida. Isso pode acontecer em uma condição de OCP. Alguns CIs PWM desliga o PWM imediatamente em condição de OCP. Com isso os poucos pulsos que surgem no enrolamento auxiliar não conseguem superar o nível de stop.

Diante dessa situação, será preciso ajustar o osciloscópio corretamente para ver se surge PWM na saída do CI. Em alguns casos, será necessário usar o trigger no modo normal ou no modo single para certificar se surge ou não surge PWM. Caso esteja surgindo PWM teremos uma situação de OCP, cuja análise é explicada no próximo tópico.

5 – Após atingir o start surge um degrau e a tensão cai até o stop

Quando surge um degrau na rampa de descida, significa que a tensão do enrolamento auxiliar chegou até o pino VCC, mas o PWM foi desligado por alguma proteção. Geralmente isso acontece quando a proteção OLP ou a proteção OCP é ativada. Note que nesse caso está descartada a proteção OVP, uma vez que para ativar a proteção OVP a tensão no pino VCC deve subir bastante após o start.

Para saber se é a proteção OCP ou a proteção OLP que está atuando, precisamos entender como atua cada proteção. 

A proteção OLP monitora a tensão no pino FB. Quando ocorre um consumo excessivo na saída da fonte, a tensão na saída cai, o foto acoplador corta, a tensão no pino FB sobe e ativa a proteção OLP.

A proteção OCP monitora a tensão no pino CS que está conectado ao resistor Rsense. Quando ocorre um curto na saída da fonte, a tensão sobre o resistor Rsense sobe acima do normal e ativa a proteção OCP.

Observe então que a proteção OLP é ativada quando tem consumo excessivo, enquanto a proteção OCP é ativada quando tem um curto.

Para identificar a causa do defeito podemos analisar as formas de ondas em cada saída do transformador. Porem, a maneira mais simples para descobrir a causa do defeito é alimentando a saída da fonte com uma fonte externa. Se esse procedimento não acusar nenhum defeito, o defeito pode ser o resistor Rsense alterado, fuga no circuito snubber ou fuga no transformador.

Conclusão

As fontes chaveadas podem apresentar diferentes defeitos e cada defeito pode exigir procedimentos de análises específicos. No entanto, a maioria dos defeitos provoca erros na tensão de VCC do CI PWM. A interpretação correta desses erros acelera o diagnóstico e torna a análise mais assertiva. Os erros apresentados neste artigo não cobrem todos os erros que podem ocorrer no VCC do CI PWM, mas são os erros mais comuns, são os erros que já peguei por várias vezes ao longo do meu trabalho. Caso tenha ficado alguma dúvida, deixe nos comentários abaixo que responderei assim que possível. Abraços e até breve.