Desenvolvimento de um Conversor CC-CC Buck de 20W em Malha Fechada

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Caderno de Resumos "III Simpósio de Tecnologia e Engenharia Eletrônica - III SIMTEEL". 
Campo Mourão - PR, Novembro de 2016. 
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Desenvolvimento de um Conversor CC-CC Buck de 
20W em Malha Fechada 
 
Fabio Henrique Fudoli 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR 
Departamento Acadêmico de Eletrônica - DAELN 
Via Rosalina Maria dos Santos, 1233 – Campo Mourão/PR 
e-mail: fabiofudoli@alunos.utfpr.edu.br 
 
 
 
Resumo – O presente artigo apresenta de forma sucinta e 
objetiva o desenvolvimento prático de um conversor CC-CC 
abaixador de tensão operando e macha fechada. O conversor 
Buck possui uma entrada de 25V e saída fixa em 15V com 
potência de 20W. A etapa de comando e controle foi 
desenvolvida a partir do circuito integrado SG3524. Foi 
produzido um protótipo em placa de circuito impresso e os 
resultados obtidos são apresentados através de figuras. 
 
Palavras-Chave – Conversores estáticos; Buck; eletrônica 
de potência. 
 
Development of a 20W CC-CC Buck Converter in a closed 
loop operation – This paper presents the practical 
development of a CC-CC converter in a closed loop operation. 
The Buck converter will operate with 25V in and a fixed out 
of 15V providing 20W. The control stage was built using the 
IC SG3524. A printed circuit board was made and all the 
results will be provided by figures. 
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Keywords – Static converters; Buck; Power electronic. 
I. INTRODUÇÃO 
Conversores CC-CC são sistemas formados por 
semicondutores de potência operando como chave juntamente 
com elementos passivos como por exemplo, indutores e 
capacitores. O chamado conversor Buck é um conversor de 
corrente contínua para corrente contínua (CC-CC) com 
característica de abaixador de tensão. Esse conversor possui 
característica de fonte de tensão na entrada e uma fonte de 
corrente na saída. 
Estes conversores chaveados são utilizados em alta 
potência e utilizam componentes semicondutores que operam 
em dois estados, ligado e desligado. Estes estados definidos 
proporcionam baixas perdas e a operação em altas frequências 
permite o projeto de filtros menores, ou seja, os indutores e 
capacitores utilizados serão fisicamente menores [1-2]. 
O conversor Buck é geralmente constituído por uma fonte 
de entrada, uma chave controlada, um diodo, indutor, 
capacitor de filtro e uma carga resistiva. O estado de trabalho 
deste conversor onde a corrente no indutor nunca é zero, é 
chamado de modo de condução contínua (MCC) [1]. 
Existe uma dificuldade de implementação da etapa de 
comando pois este conversor não compartilha a mesma 
 
Artigo aprovado pelo Conselho Editorial. ISSN 2318-5864. 
referência (GND) entre a fonte de entrada, a carga e o 
interruptor [2]. 
Nesse trabalho será apresentado o desenvolvimento prático 
e resultados do circuito conversor Buck operando em malha 
fechada com uma saída fixa em 15V e potência de 20W. 
Os softwares utilizados para a modelagem e testes foram 
Matlab 2015, Simulink 2015 e NI Multisim 14. Para 
elaboração de esquemáticos e layout da PCI foi utilizado o 
software Eagle CADsoft. 
II. DESENVOLVIMENTO 
II.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO 
 
Foram utilizados como dados para o projeto do conversor: 
𝑉𝑜 = 15𝑉 
𝑉𝑖𝑛 = 25𝑉 
𝑃𝑜 = 20𝑊 
𝑓𝑠 = 30 𝑘𝐻𝑧 
∆𝑖𝐿= 5% 
∆𝑣𝐶= 1% 
Onde 𝑉𝑜 representa a tensão de saída do conversor, 𝑉𝑖𝑛 a 
tensão de entrada, 𝑃𝑜 a potência de saída, 𝑓𝑠 a frequência de 
chaveamento, ∆𝑖𝐿 e ∆𝑣𝐶 representam a variação máxima de 
corrente e variação máxima de tensão na carga, 
respectivamente. 
 
II.2 CÁLCULO DO INDUTOR E CAPACITOR 
 
Com estes dados, obtém-se a razão cíclica 𝐺, a corrente 
eficaz 𝐼𝑒𝑓, e os valores máximos admitidos para a variação da 
corrente e tensão, através de ∆𝑖𝐿 e ∆𝑣𝐶 respectivamente. 
 
𝐺 =
𝑉𝑜
𝑉𝑖𝑛
=
15
25
= 0,6 (1) 
 
𝐼𝑒𝑓 =
𝑃𝑜
𝑉𝑜
=
20
15
= 1,33 𝐴 (2) 
 
∆𝑖𝐿= 𝐼𝑒𝑓 ∙ 5% = 1,33 ∙ 5% = 66,67𝑚𝐴 (4) 
 
∆𝑣𝑐= 𝑉𝑜 ∙ 1% = 15 ∙ 1% = 150𝑚𝑉 (5) 
 
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Com os valores acima obtidos, é possível calcular então o 
valor do indutor e do capacitor através de (6) e (7), 
respectivamente. 
 
𝐿 =
(𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜) ∙ 𝐺
∆𝑖𝐿 ∙ 𝑓𝑠
=
(25 − 15) ∙ 0,6
66,667 ∙ 10−3 ∙ 30 ∙ 103
= 2,99𝑚𝐻 (6) 
 
𝐶 =
1
8
∙
∆𝑖𝐿
∆𝑣𝑐 ∗ 𝑓𝑠
=
1
8
∙
66,67 ∙ 10−3
0,15 ∙ 30 ∙ 103
= 1,852 µ𝐹 (7) 
 
II.3. Projeto Físico do Indutor 
 
Com base em [3], obtém-se os valores para o projeto físico 
do indutor a ser utilizado como corrente de pico 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 e o valor 
de janela 𝐴𝑒𝐴𝑤 do núcleo de ferrite através de (8) e (9). 
 
𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝐼𝑒𝑓 +
∆𝑖𝐿
2
= 1,33 +
66,67 ∙ 10−3
2
= 1,363 𝐴 (8) 
 
𝐴𝑒𝐴𝑤 =
𝐿 ∙ 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 ∙ 𝐼𝑒𝑓
𝐽𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐾𝑤 ∙ 𝐵𝑚𝑎𝑥
= 
2,99 ∙ 10−3 ∙ 1,363 ∙ 1,33
450 ∙ 0,7 ∙ 0,35
= 0,4916 
(9) 
Conforme tabela do fabricante de núcleos de ferrite 
Thornton, o tipo de núcleo para a janela 𝐴𝑒𝐴𝑤 de 0,49 é o 
núcleo EE30/14 cujo 𝐴𝑒 = 1,2 e 𝐴𝑤 = 0,85. 
Ainda segundo [3], calcula-se então o número de espiras 𝑁 
(10) e o tamanho do entreferro 𝑙𝑔𝑎𝑝 (11). 
𝑁 =
𝐿 ∙ 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜
𝐵𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐴𝑒
=
2,99 ∙ 10−3 ∙ 1,363 ∙ 103
0,35 ∙ 1,2
= 98 [𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠] 
(10) 
 
𝑙𝑔𝑎𝑝 =
𝑁2 ∙ 𝜇0 ∙ 𝐴𝑒
𝐿 ∙ 102
=
982 ∙ 4 ∙ 𝜋 ∙ 10−7 ∙ 1,2
2,99 ∙ 10−3 ∙ 102
= 4,08𝑚𝑚 
(11) 
Para o cálculo da bitola do condutor deve-se considerar que 
a utilização de condutores em altas frequências deve levar em 
conta o efeito pelicular (skin efect). É sabido que, à medida 
que a frequência aumenta, a corrente no interior de um 
condutor tende se distribuir pela periferia, ou seja, existe 
maior densidade de corrente nas bordas e menor na região 
central. Esse efeito causa uma redução na área efetiva do 
condutor. Em outras palavras, o efeito pelicular atua de 
maneira a limitar a área máxima do condutor a ser empregado 
[3]. 
O valor da profundidade de penetração pode ser obtido 
através da expressão (12). 
∆=
7,5
√𝑓𝑠
=
7,5
√30 ∙ 103
= 43,301 ∙ 10−3 (12) 
Desta forma, o condutor utilizado não deve possuir um 
diâmetro superior a 2∆. Através da tabela AWG (American 
Wire Gauge), obtém-se para esse diâmetro o condutor AWG 
20. 
 
II.3 MODELAGEM DINÂMICA E COMPENSADOR 
 
O modelo da planta conversor Buck no domínio da 
frequência obtido foi: 
 
𝐹𝑡(𝑆) =
𝑉𝑖𝑛
(𝐿𝐶) ∙ 𝑆2 + 𝐿 𝑅⁄ ∙ 𝑆 + 1
 
(13) 
 Substituindo os valores, sendo R = 11,25 ohms, obtém-se: 
 
𝐹𝑡(𝑆) =
4,515𝑒9
𝑆2 + 48𝑒3 ∙ 𝑆 + 180,6𝑒6
 (13) 
Para implementação do controlador PI obtido através dos 
cálculos no domínio da frequência é necessário a correta 
associação de componentes discretos como resistores, 
capacitores e amplificadores operacionais para que eles 
assumam os polos e zeros desejados no projeto do controlador. 
 
O controlador PI obtido através do software Matlab e com 
o uso da função rltool() tem a seguinte função transferência de 
primeira ordem: 
𝐶(𝑆) = 20 
𝑆 + 8621
𝑆
 (14) 
 
Foram utilizados como critérios práticos para manter a 
estabilidade e tempo de resposta uma frequência de 
cruzamento de ganho menor que 1 5⁄ da frequência de 
chaveamento (30kHz), uma margem de fase entre 40º e 90º e 
uma inclinação na curva de ganho de -20dB/década [4]. 
Com base na equação (15), obtém-se o controlador por 
componentes discretos. 
𝐶𝑃𝐼 = 20 ∙
𝑆 + 8621
𝑆
= 
𝑅4
𝑅5
∙ (
𝑆 +
1
𝑅4 ∙ 𝐶
𝑆
) (15) 
Foi adotadoo valor de 220nF para o capacitor, e com isso, 
obtém-se o valor do resistor 𝑅4 de 600Ω. Obtém-se também o 
valor de 𝑅2 para que o ganho seja de 20. Esse valor é 30Ω. A 
figura 1 mostra a topologia com amplificador operacional do 
controlador PI aplicado. Os valores dos componentes foram 
arredondados para serem compatíveis aos valores comerciais. 
Nos sistemas SISO realimentados, o sinal de erro mostrado 
na figura 1 representa a subtração da referência pela leitura do 
valor de saída, ou seja, a referência de 15V menos a tensão 
sobre a carga. A saída do controlador é denominada Lei de 
Controle. 
 
Figura 1. Topologia do controlador PI utilizando amplificador 
operacional. 
ampop2
C1
220nF
R4
527.25Ω
R5
30Ω
Erro
LeiDeControle
 
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II.4 PROJETO PRÁTICO 
 
Por razões de segurança, foi dividido em duas partes a 
montagem do circuito. Uma parte com a circuitaria de 
comando e controle e uma parte com a circuitaria de potência. 
Na figura 2 podemos observar o esquemático do circuito 
conversor Buck representado no software Multisim 14. 
 
Figura 2. Conversor Buck desenvolvido. 
 
Na parte de controle, o circuito integrado SG3524 foi 
utilizado, e para geração da onda dente de serra de 30kHz, base 
para o PWM, foi utilizado o par Rt/Ct de 3k Ω e 10nF com 
base no datasheet. 
Como o SG3524 trabalha com tensão em seu AmpOp 
interno de no máximo 5V, foi necessário o projeto de circuitos 
divisores de tensão resistivos. Como a tensão de alimentação 
máxima é de 25V e a tensão máxima admitida no CI é de 5V, 
foi efetuada uma divisão por cinco da leitura de tensão na 
saída. Utilizando de regra de três, obtém-se o valor da 
referência de 3V para que o a saída seja de 15V. Os circuitos 
divisores de tensão resistivos podem ser vistos na figura 3. Um 
diodo zener de 5,1V foi utilizado para garantir que a tensão 
não passe da tensão máxima admitida pelo circuito integrado 
e garantindo assim sua integridade. A grande quantidade de 
resistores utilizada foi para garantir os valores corretos de 
tensão projetados com base nos componentes disponíveis. 
 
Figura 3. Componentes externos ao SG3524. 
 
Os nomes I+ e I- referem-se as entradas não-inversora e 
inversora do AmpOp interno do SG3524. 
Na parte da realimentação mostrada na figura 3 é possível 
observar a implementação do controlador Proporcional-
Integral projetado. 
 
Foi utilizado também um opto-acoplador de alto 
desempenho para fazer o isolamento do circuito de controle 
com o circuito de potência. O modelo utilizado foi o 
HCPL3120 da Avago. Uma fonte adicional de 15V é requerida 
para alimentar o lado de saída do opto-acoplador driver e 
garantir que os terras (GND) dessas fontes não estejam 
conectados. 
III. RESULTADOS 
Durante a fase de modelagem e simulação em ambiente 
Matlab, foi obtido como gráfico de tensão em função do tempo 
a figura 4. Nota-se uma entrada de carga em degrau de 50% 
para 100% de carga (23 Ω para 11,5 Ω). É possível observar a 
rápida resposta do sistema a variação de carga e a tensão fixa 
em 15V. 
 
Figura 4. Tensão na carga quando um degrau de 50% para 
100% de carga é acionado. 
 
Na figura 5, nota-se a variação de potência de saída quando 
há um degrau de potência, é possível observar também a 
potência de projeto de 20W sendo atingida. 
 
Figura 5. Degrau de potência na carga. 
 
Para a implementação prática foi confeccionado uma placa 
de circuito impresso para a parte de potência, contendo a 
chave (IGBT), diodo, KRE’s, LED indicador de 
funcionamento, indutor e capacitor. O resultado do protótipo 
montado e em operação pode ser observado na figura 6. 
Na figura 7 é possível observar o formato da onda de saída 
juntamente com o chaveamento da modulação por largura de 
pulso (PWM) diretamente na chave (IGBT). A largura de 
pulso utilizada corresponde na saída o valor de 15,3V médio. 
A leitura de tensão foi feita com auxílio do osciloscópio 
Tektronix presente nos laboratórios do DAELN. O PWM 
opera em uma frequência de aproximadamente 30KHz. 
 
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Figura 6. Protótipo de potência desenvolvido em placa de 
circuito impresso. 
 
 
Figura 7. Forma de onda da tensão na carga e chaveamento 
PWM. 
 
O formato da onda de corrente na saída do conversor, 
quando utilizado uma carga de 10 Ω, pode ser observado na 
figura 8. Onde a corrente média e RMS de saída é de 1,73A. 
Com a tensão em 14.9V e corrente em 1,73A, a potência 
desprendida na carga é de aproximadamente 25W. A forma de 
onda de corrente foi medida com a ponteira de corrente da 
Tektronix. 
 
Figura 8. Forma de onda da tensão e corrente na carga. 
 
Com o auxílio de uma chave mecânica, foram colocados 
em paralelos associações de resistores para que quando a 
chave esteja aberta a carga seja de 20 Ω, quando fechada, 10Ω. 
Este procedimento ilustra a variação de carga de 50 para 
100%. A figura 9 resulta no formato de onda obtido pelo 
osciloscópio quando pausado no momento da entrada de 
carga. 
 
Nota-se na figura 9 o rápido reestabelecimento do sistema 
às condições ideais de projeto. É possível verificar também 
que o formato da ondulação bem como o tempo se 
assemelham com os dados coletados via simulação em 
ambiente Matlab. 
IV. CONCLUSÕES 
Com a elaboração desse trabalho, tanto na parte teórica, na 
modelagem inicial e aplicação dos conceitos de sinais e 
sistemas, controle clássico, entre outros, quanto na parte 
prática final, foi possível observar os processos, metodologias, 
dificuldades e conhecimentos que exigem a elaboração de um 
projeto de um circuito conversor Buck que opera em malha 
fechada. 
Os resultados aqui apresentados mostram o sucesso na 
implementação prática desse conversor operando em malha 
fechada. Desde o início onde foi feito o projeto teórico, como 
cálculo de razão cíclica, valor do capacitor, valor do indutor, 
quantidade de espiras e tamanho do condutor isolado no 
indutor entre outros, findaram numa execução fiel ao projeto 
teórico com resultados coerentes e coesos. 
Conclui-se então que com esse trabalho, foi possível 
compreender o projeto de conversores e executar a proposta 
inicial. 
AGRADECIMENTOS 
Ao DAELN pelo fornecimento dos equipamentos e 
laboratórios e ao prof. Dr. Moacyr A. G. Brito pelo apoio no 
desenvolvimento deste projeto. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
[1] Rashid, Muhammad H. Power electronics handbook: devices, 
circuits and applications. Academic press, 2010. 
[2] Lima, F. P. Desenvolvimento de um Reator Eletrônico de Baixo 
Custo para Iluminação a Led. Trabalho de Conclusão de Curso – 
UTFPR. Campo Mourão, 2015. 
[3] Barbi, I.; Font, C. H. I.; Alves, R. L. Projeto Físico de Indutores 
e Transformadores. Apostila UFSC, Florianópolis, 2002. 
[4] Brito, M. A. G. Materiais de Aulas – UTFPR. Campo Mourão, 
2015.