GROYKS

(QUASE) TODA A VERDADE SOBRE PWM

O Circuito Regulador de VCORE

(quase)Toda A Verdade Sobre PWM ! ENTENDENDO O REGULADOR VCORE

By Groyks (Sérgio Greiso)

. Dedicado aos Bravos do ELETRONICAbr ! Salve, Big Z !

e-Book - Distribuição GRATUITA

Pressupostos deste trabalho:

1- Este e-Book não possui índice ! É porque você deve lê-lo por inteiro !

2- Este e-Book não tem aquela seção de agradecimentos nem dedicatória É porque foi escrito por MACHO e para MACHOS (pra algumas MULHERES, talvez)

3- O item 1 é absolutamente verdadeiro...o 2 é pra pensar...

4- Nunca deixe um defeito te subjugar. Mantenha, sempre, sobre a bancada, uma marreta de 5kg para mostrar quem é que manda por ali !

5- Defeitos em circuitos que nos irritam nos mostram que ainda não dominamos seus princípios de funcionamento ! Então...

Início:

Fontes de alimentação que se utilizam da técnica da PWM (Pulse Width Modulation – [ Modulação da (por) Largura do Pulso]) (as famosas fontes chaveadas) causam antipatia a muitos (e, sinceramente, EU era um desses !) .

Afinal de contas, por que não utilizar a boa, velha e confiável fonte linear, com seus reguladores-série ? Qual o problema em utilizá-las ? Olha, brother, agora eu sei...então vou te dizer : Não há problema algum, do ponto de vista FUNCIONAL ! Elas funcionariam bem pra caramba se... Se você não se importasse em ter que usar uma empilhadeira para mover a “torre” de seu desktop de um canto a outro da sala ! Simples assim ! Aliás o termo, hoje usado para designar o gabinete que abriga a placa-mãe, “torre”, não seria muito próprio...Acredito que a palavra “BAÚ” fosse a mais apropriada para representar o fato ! Um BAÚ “pesando” uns 300kg (ou mais... !). Isso sem falar no tamanho do ar-condicionado que todos teríamos que ter em casa, para

poder suportar o calor gerado pelas perdas térmicas nas Fontes Lineares ! Funcionar, funcionaria, mas a que custo ? (Pense no Planeta, também !!)

O problema todo está nos altíssimos valores de corrente que são manipulados pela Placa-Mãe, para alimentar os processadores atuais. Imagine o TAMANHO do TRANSFORMADOR (grandes correntes no secundário de um “trafo” significa grandes dimensões de um “trafo”) pra fornecer o Vcore (1,0v aprox por 100 A !!!). Laptop seria um termo que ainda nem existiria...!

Lembro que eu tinha um TK-82 (década de 80! Mas não sou tãaao velho assim...) e que um dia tive que abrir o danado porque ele “apagou” e...adivinha quem encontrei lá dentro, torradinho ? Ééééé... um LM7805 !!! Bons tempos, aqueles, em que um processador ( o Z-80) consumia míseros 200mA NO MÁXIMO !!!

Abaixo você pode dar uma olhada num gráfico da Intel, no qual é exibida a relação Tensão Vcore x Corrente Vcore. Isso é MUUUITO significativo pois não foi uma condição IMPOSTA por algum projetista maluco...A própria “Natureza dos Processadores” “diz” isso aos Projetistas : “Se vocês quiserem mais velocidade, abaixem a tensão e me forneçam mais corrente, por favor “ ! Bom, isso dá pra entender, pois processadores mais velozes possuem MUITO MAIS componentes (transistores) internos – o que AUMENTA O CONSUMO !!! Dá uma olhada no gráfico

Viu ? Na década de 90 um processador era alimentado com 5v e consumia QUASE ZERO Ampères !!! Tudo di bom...

A partir do começo da década de 90 o Vcore já havia diminuído em quase 50%! (e a corrente consumida tinha dado um “salto”). Em 2005, por exemplo a tensão Vcore (aquela que alimenta o processador) já estava próxima a 1,0 volt e em 2010 ABAIXO de 1,0 volt. Preste atenção NISSO, pois será fundamental para entender porque o regulador PWM do Vcore se apresenta da forma que o conhecemos HOJE ! Veja, no gráfico, que ao mesmo tempo em que a tensão Vcore vinha diminuindo, a CORRENTE exigida pelo processador estava AUMENTANDO na mesma proporção! Hoje temos processadores que requerem uma corrente de alimentação superior a 150 Ampères e sob uma tensão MENOR QUE 1,0 v !!! Cara....Isso é MUUITO e, se teimássemos em alimentar uma Placa-Mãe com uma fonte Linear, enfrentaríamos os já descritos incômodos, abordados no começo desta aula !

Abaixo, mais um gráfico pra você (você gosta de gráficos, né ?), onde te mostro como variou a corrente exigida pelos micro-processadores, ao longo dos anos.

Agora que você já sabe por que não se usam fontes lineares em placas-mãe...faça as pazes com as fontes chaveadas, pô !

O Princípio do PWM ! (Enfim !!!)

Em algum momento da História algum “maluco” (maravilhoso Maluco) percebeu que poderíamos controlar a potência entregue a uma carga se “picotássemos” a tensão entregue a ela : Estava criada a noção de PWM !

Abaixo você vê um circuito que “picota” a tensão sobre o led, controlando o tempo em que a tensão permanece em nível Lógico 1, sobre o mesmo, usando um ci 555 (você conhece o 555, né ?) ,.

VamuLá... Aquela “parte de cima” do circuito é apenas o circuitinho de alimentação do 555 ! Olha lá...tem um 7812, um regulador de tensão integrado de até 1A de corrente. Os diodos D1 e D2 recebem a corrente alternada de um transformador (trafo), convertendo-a em corrente contínua pulsante a qual é “alisada” pelo capacitor C1, de 1000 microFárads x 25v (grande, hein ?) e entregue ao 7812, que a regula em “exatos” 12V, limpa, linda !

A “parte de baixo” nos interessa ! Temos um 555 operando no modo ASTÁVEL (liga-desliga-liga-desliga...) . Dá uma olhada no potenciômetro R5 à esquerda, entre os diodos D6 e D7. Ele é o responsável por variar o TEMPO NO QUAL O SINAL PERMANECE NO NÍVEL ALTO ! AHÁaaaaa.... Estamos controlando o

tempo no qual o sinal permanece em 12v... Ou seja : Estamos controlando (MODULANDO MODULATION [M]) o tempo no qual o valor de tensão sobre o resistor limitador do LED permanece em 12 V, a LARGURA (WIDTH [W]) do PULSO (PULSE [P]) de alimentação. Isto é controle PWM !!! E aí ? Sentiu ? Dá uma olhada no gráfico abaixo pro seu prazer ser completo !!!

Na saída do 555 (pino 3), que alimenta o Led via resistor R2 (1K) temos uma onda quadrada que varia entre Vcc e 0v que pode assumir algumas dessas formas : Veja o gráfico abaixo

Vcc

t

Com o potenciômetro todo à esquerda.... OU...

Vcc

t

...Com o potenciômetro todo à direita !

Percebeu o que fizemos ? Variamos o TEMPO NO QUAL O SINAL PERMANECE EM NÍVEL LÓGICO 1 (12V), sobre o resistor limitador do LED e NÃO A FREQUÊNCIA DO SINAL !!! A frequência do sinal permaneceu CONSTANTE durante todo o tempo. MODULAMOS (M) a LARGURA (W) do PULSO (P) (PWM, né ?) sobre o resistor limitador do LED, e com ISSO o BRILHO que o LED exibe, orgulhoso, pra nós ! Curtiu ?

Assim fica fácil percebermos intuitivamente que se o pulso de 12v permanece 80% do tempo disponível sobre o LED, este último apresentará um brilho equivalente a 80% do brilho máximo possível ! Se, ao girarmos o potenciômetro R5 para esquerda, fizermos o sinal de 12v permanecer em nível alto por 15% do tempo total disponível o brilho do LED será o equivalente a 15% do total possível. O tempo no qual o sinal se apresenta em nível “alto” é chamado de DUTY CYCLE (CICLO DE TRABALHO !) e é uma grandeza largamente utilizada em projeto e caracterização de fontes chaveadas.

Bom... Embora eu saiba que agora você já sabe o que significa, na prática, o que é PWM, devo te dizer que isso não é o bastante, para nós ! Sinto muito !

Apesar de termos controlado o brilho do LED nos aproveitando dos efeitos PWM, observe que em nenhum momento reduzimos a tensão de 12v, da fonte. Precisamos ir além, pois não podemos simplesmente ficar chaveando 12V sobre um processador que “pede” apenas 0,85 V, né ?

O QUÊ ? Você quer saber por que não usamos um resistor LIMITADOR pra alimentar o processador ??? Affff... Imagina só o tamanho do “bicho” e o calor que ele iria dissipar... Isso sem falar que o consumo do processador é VARIÁVEL !!! Aí a gente usaria um potenciômetro gigante para regular o novo valor do resistor limitador para se adequar a nova modalidade de consumo do processador, né? Afff...

O Mistério do Circuito Buck-Converter !

Existe uma maneira de aproveitarmos a tecnologia PWM para REDUZIRMOS a tensão sobre uma carga ( no nosso caso, um MicroProcessador!). A isto se chama “Circuito Buck Converter” (ou conversor step-down) ! Um Buck Converter é um regulador abaixador de tensão que converte uma determinada tensão CC em outra tensão CC de menor valor. São conhecidos como “Conversores CC-CC”. Eles podem ser BOOST ( Elevadores) ou BUCK (Abaixadores). No nosso caso nos deteremos nos abaixadores (Buck), ok ?

Um circuito Buck Converter utiliza os princípios do PWM para converter uma dada tensão contínua em uma outra tensão contínua menor, com um máximo

de aproveitamento e, portanto, com um mínimo de perdas. Na figura abaixo vemos uma configuração básica desse circuito.

VamuLá : Da esquerda pra direita...

Vin é a fonte de alimentação (12v por exemplo). T é uma chave do tipo LIGA-DESLIGA.

D... ahhhh... é um diodo, né ? (importantíssimo me aguarde ! ).

L é um indutor (BOBINA) (indutores em estágio de saída de fontes chaveadas recebem o nome de CHOQUE).

C é um capacitor com a mesma função que nas fontes lineares : diminuição do ripple (ou seja : carrega – descarrega – carrega – descarrega,,,).

RL é a “carga” (o nosso mui respeitável processador !). Nessas condições (chave aberta) nenhuma corrente circula pelo circuito e, portanto, a carga encontra-se “morta”.

Então vamos fazer o seguinte : LIGAR E DESLIGAR A CHAVE ! (apenas UMA vez !)

1- A Chave foi LIGADA : Para um melhor entendimento, consideraremos o capacitor C “fora” do circuito, ok ? Depois a gente solda ele de volta !

Ao ligarmos a chave, uma tensão se estabelecerá de imediato no Indutor L (choque), com a tensão da fonte, como mostrado no primeiro gráfico abaixo, onde lemos “CHAVE LIGADA. Nesse momento, começa a fluir, pelo Indutor, uma corrente (se a carga RL estiver conectada !). No gráfico de baixo, à esquerda, vemos uma onda em forma de rampa ascendente. Esta rampa é a representação da corrente sobre o choque L (indutor) . Como você pode ver, a corrente sobre o indutor não se estabelece prontamente, da mesma forma que

a tensão o faz !. A corrente, durante esta fase do funcionamento (CHAVE LIGADA) executa um “trabalho” invisível : Ela gera um campo magnético em torno do Indutor (você se lembra das aulas de Ciências do “Ginásio”, né ?). Ainda estamos na primeira etapa do funcionamento do Buck Converter, isto é, com a CHAVE LIGADA. O campo magnético formado sobre o indutor (no espaço, em volta dele), devido à corrente elétrica que o atravessa, vai expandindo-se atingindo valores cada vez maiores (o “cume” da rampa) até a chave ser desligada. Entramos na etapa 2 de funcionamento do circuito .

2- A Chave foi DESLIGADA : ( A mágica acontece !)

Bem, neste momento, o campo magnético existente em torno do Indutor L sofre violento colapso e as linhas de campo magnéticas “mergulham” de volta nas espiras do Indutor, INDUZINDO UMA CORRENTE no indutor e fazendo surgir uma tensão com polaridade oposta àquela que apresentava durante a “ETAPA-1”. Isso fica claro, se você der uma olhada no gráfico acima (parte de cima) do lado onde está escrito “ETAPA-2” A tensão, agora, é NEGATIVA ( -Vo !) e se não houvesse o DIODO D não haveria transferência de energia para a carga (o

CHAVE DESLIGADA

CHAVE LIGADA

Gráfico 1: TENSÃO sobre o indutor. Note a inversão de polaridade devido ao colapso do campo magnético, ao desligar a chave.

Gráfico 2 : Variação da Corrente sobre o Indutor SEM o capacitor C no circuito.

ETAPA - 1 ETAPA - 2

Corrente média através do Indutor com o capacitor C no circuito.

circuito que está sendo alimentado) pois o diodo D conecta o indutor L à terra, nessas condições, permitindo que circule uma corrente, agora em formato de rampa decresente em direção à carga ! (veja o gráfico acima – parte de baixo – “ETAPA-2”). Perceba que a carga continua sendo alimentada mesmo na ausência de alimentação da fonte, aproveitando as características funcionais dos indutores (e com a ajudinha do diodo !). Se não houvesse o diodo não haveria “rampa descendente” e, portanto, energia sobre a carga durante o ciclo off da chave e o gráfico apresentaria um “buraco” durante o intervalo de tempo no qual a chave estivesse desligada...e a carga sofreria com um gigantesco ripple !!! (Você sabe o que é “ripple”, não sabe ?)

Bem, no começo desta explicação eu havia dito que o capacitor C estaria fora do circuito, mas agora vamos colocá-lo pra trabalhar...Sua função é “aplainar” as “coisas”, suavizar as formas de onda...manter-se carregado para suprir a carga de corrente constante, apesar das variações intrínsecas do circuito. Eu sei que você entendeu....mas....Bem....Esta não é toda a verdade ! Antes de continuarmos, acompanhe as figuras abaixo, que mostram o que ocorre no circuito conversor Buck tanto na etapa-1 quanto na etapa-2.

ETAPA - 1

ETAPA - 2

Observe, no desenho acima, que na etapa-1 o diodo não participa do circuito, pois está inversamente polarizado (estado de corte) e, portanto, não é exibido ! Lembre-se, também, que nessas condições um campo magnético está estabelecido no espaço, em torno do Indutor (choque) L. Durante esses breves instantes uma corrente flui através do choque L carregando o capacitor C e alimentando a carga R.

Na etapa-2, assim que a tensão é retirada do circuito, ao abrirmos a chave, o campo magnético é colapsado sobre o choque, gerando uma tensão induzida (agora de polaridade oposta à inicial) fazendo com que flua uma corrente sobre a carga R (no mesmo sentido que antes). Agora o capacitor, que havia se carregado na etapa-1 descarrega-se via carga R, somando forças com o choque. Isto só é possível graças a presença do diodo que agora encontra-se polarizado diretamente e, portanto conduzindo, fornecendo a “referência” do terra para que a corrente flua do indutor para a carga. Se não houvesse o diodo a tensão ficaria “presa” no choque L sem poder fluir para a carga R, pois não haveria caminho de retorno para os elétrons ! Por suas próprias características (manter a corrente circulando de forma contínua pelo circuito mesmo sem alimentação) esta configuração recebeu o nome de “Roda Livre” (Free Wheel).

Agora você entende por que se utiliza um Indutor nos estágios de saída PWM ? Hã ? Hã ? Simplesmente não há melhor substituto, pois aproveitamos o colapso do campo magnético gerado, ao desligarmos a alimentação, para gerarmos outro tanto de tensão para manter a carga R alimentada durante aquele tempo no qual o PWM “desliga” ! Lindo, não ? Lembra quando te disse que ainda não havia dito toda a verdade ? Pois é : ainda não sabemos COMO a tensão de 12v é reduzida para 1v (por exemplo) para alimentar o processador, usando o regulador PWM.

Como A Tensão É Reduzida, Em Um Regulador PWM: PARTE 1

Imagine um circuito que gera um sinal de PWM cuja frequência seja fixa num valor qualquer, digamos Fo e cujo ciclo de trabalho (duty cycle – o tempo no qual a saída do gerador permanece em nível “alto”) possamos variar conforme nossas necessidades. Podemos usar o mesmo CI 555, já anteriormente apresentado. Olha lá :

Vamos colocar nosso gerador de PWM para funcionar em três ajustes distintos de Ton (duty cycle – Tempo ligado (on)), (100%, 50% e 25%) e medir a saída de sinal dele no ponto Vout, do circuito. Vamos assumir que Vcc valha 12Vcc, ok ? Então o sinal de nosso gerador oscilará entre 0 e 12v, certo ?

AJUSTE-1 : Ciclo de trabalho quase a 100%

Vcc

Gerador PWM

555

Ajuste do Duty Cycle

(Ciclo de trabalho)

Saída do Sinal PWM

Carga R

Vout

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

100%

Nesse ajuste fica fácil percebermos que a carga será alimentada com uma tensão quase que contínua e que corresponde a Vcc ! Para um melhor entendimento digamos que a área sob a curva do gráfico (cada retângulo vermelho em cada ciclo) representa a “energia” recebida pela carga (o circuito que estamos alimentando)

AJUSTE-2 : Ciclo de trabalho a 50% Metade, né ?

Durante metade do tempo de cada ciclo a carga é alimentada com tensão de 12v, mas na metade de TOff (tempo no qual o PWM permanece desligado) a carga não recebe alimentação alguma. Falando em termos de energia fornecida, “matematicamente” falando (kkkkk) a carga “enxerga” o valor médio da energia entregue a ela. Entretanto não podemos ignorar o fato de, apesar de na média, a carga estar recebendo uma tensão EQUIVALENTE a 6v estamos “pipocando” 12v sobre ela, na metade do tempo em cada ciclo. Adivinha, só, quem é que faz o trabalho “sujo” de “desmontar” a parte excedente da onda quadrada e encaixá-la ao lado da que restou ? Um CAPACITOR conectado em paralelo com a carga ! Acompanhe, abaixo, o trabalho do capacitor “desmontando” e “remontando” o sinal entregue à carga.

Usando um capacitor para “tapar os buracos”, a tensão REAL, agora é de 6V !

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

50%

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

50%

Esta operação, na verdade, é um tanto complexa e envolve operações matemáticas de Integração, mas vamos deixar a Mateka de lado pois precisamos ENTENDER qualitativamente a operação dos Reguladores PWM e não quantitativamente !

Apesar de o Groyks, aqui, ter tido o cuidado de evitar ao máximo o uso de Matemática para justificar o funcionamento desse circuito, que fique claro que os valores dos componentes envolvidos em projetos de circuitos eletrônicos são obtidos após reiterados cálculos Matemáticos, muitas vezes extremamente complexos !!! Por exemplo, sabemos que o capacitor usado nos reguladores do Vcore não é “o capacitor” mas “os capacitores”. Você já viu isso...7, 8, 10 às vezes mais capacitores em paralelo, para manter o processador alimentado durante o “buraco” do sinal PWM. Essa escolha não é ao acaso ! Existem justificativas Matemáticas para isso. Mas para nós, que atuamos em reparos (nobre tarefa, hein ?) o que interessa é conhecer os princípios de funcionamento dos circuitos, da mesma forma que um cirurgião não precisa saber o que se passava na cabeça do Grande Arquiteto, quando Ele estava nos projetando, para poder fazer seu trabalho : salvar vidas !

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

Finalmente, o capacitor já remontou a energia onde havia um buraco e, por causa disso, a tensão foi abaixada e feita contínua em 6,0 V !

Tensão sobre a carga : 6,0Vcc

50%

AJUSTE-3 : Ciclo de trabalho 25% ¼ né ?

Observe que sendo o ciclo de trabalho equivalente a 25% do período de duração de UM ciclo, o pico de tensão foi dividido em quatro pacotinhos iguais de forma a preencher todo o espaço desocupado do ciclo, o que nos fornece uma tensão de saída contínua também equivalente 25% da tensão de entrada. Tudo isso graças ao capacitor de valor adequado conectado em paralelo com a carga !!!

25% Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

25%

Vout = 3,0Vcc

Vcc

t Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

25%

Agora você entende porque em todos os foruns de reparos em MOBOs os técnicos sempre falam “dê uma olhadinha nos capacitores do Vcore...” quando a MOBO (MOther BOard) tá morta, travando, superaquecendo ou desligando ? É porque se os capacitores ressecarem ou vazarem eles terão perdido sua capacidade de “desmontar” e “remontar” esses pacotes de energia nos níveis adequados e o que é pior : o processador pode estar recebendo “pipocos” de tensão acima do que ele suporta. De duas uma : ou o circuito de segurança está desligando o PWM ou o pobre processador já foi pro “saco”, mesmo. Então te digo : Dê, sempre, uma olhadinha nos capacitores do Vcore, se seu micro está travando, superaquecendo ou desligando/reinicializando”. Se a MOBO tá “morta” alguma coisa muito ruim já aconteceu ! Acedite !!! ...E pode ter acontecido justamente por conta dos capacitores que já não estão mais “dando conta do recado” de “desmontarr” o sinal pulsante de 12v que está presente nos choques do estágio de saída do regulador.

Uma maneira de descobrirmos a quantas anda a saúde dos capacitores (tão logo você consiga restaurar o Vcore) é simplesmente medirmos a saída de um dos choques do Vcore com um Osciloscópio e observamos a forma de onda apresentada. Deve ser uma bela reta sem ondulações ! Se não for assim, pode substituir TODOS ! Caixão e vela preta pra eles !!!

Ái meu Deussss... Lembrei ! Gente...verifiquem os capacitores e testem os MOSFETs do Vcore ANTES de “regravarem a BIOS”, falô ?

A gente vê nos fóruns “da vida”, por aê...

Técnico 1 : A minha MOBO tá morta, nem tá ligando...

Técnico (Achólogo) 2 : “Regrava a BIOS !” PUTZ !

Como A Tensão É Reduzida, Em Um Regulador PWM: PARTE 2

Bem...você sabe...NADA é tão simples como supomos ! Embora toda a teoria tratada até aqui esteja absolutamente correta, existem “verdades ocultas” que surgem quando “ligamos as coisas de forma ligeiramente diferente”.

Na PARTE 1 dessa explicação o gerador de PWM entregava o sinal diretamente a carga ! Acontece que nosso regulador do Vcore entrega o sinal pulsante (“alisado” pelo capacitor) para a carga através de um choque (INDUTOR) , para um melhor aproveitamento da energia. E aqui surgem alguns efeitos “fantasmagóricos” causados pelo choque.

Bem, já sabemos que no “mundo real” um sinal de PWM típico pode estar na casa dos 200kHz, 300KHz, 500KHz, 2MHz, 20Mhz...Isso vai depender das caracterísiticas de cada projeto. E é justamente por causa dessas frequências de operação que os projetistas precisam ficar espertos no momento do projeto para não por tudo a perder por conta de mais uma característica curiosa dos Indutores.

Indutores ao serem conectados a sinais DC (corrente contínua – Direct Current) se comportam como condutores de resistência zero – um curto ! (claro que não falo daquelas bobinas para aplicações especiais, com milhares de espiras, pô!). Consideremos esses choques encontrados nos estágios de saída dos reguladores do Vcore, ok ? Esses choques, para CC, comportam-se como curtos, mas...ELES NÃO OPERAM EM REGIME CC ! Eles trabalham recebendo pulsos PWM que apresentam frequências muitas vezes da faixa de rádio ! E, se você prestou atenção até aqui, sabe que, por causa do colapso do campo magnético durante o tempo de “desligamento” do sinal PWM a polaridade da tensão sobre o indutor inverte a cada “liga-desliga”, gerando um sinal de corrente alternada AC. O que temos, agora ? Temos um indutor (choque) que opera em regime de AC e sob frequência elevada. Aqui é que entra em cena mais uma “esquisitice” dos indutores (santa esquisitice !!!).

Se é verdade (e é !) que indutores em regime CC comportam-se como um curto, o mesmo não ocorre em regime AC. Muito pelo contrário ! Em regime AC surge, nos indutores uma espécie de “resistência dinâmica” aos sinais em AC, como se surgisse “do além“ um resistor que se opusesse à passagem dos sinais de frequência através do indutor. Quando o sinal de frequência é retirado a “resistência” desaparece...quando a frequência é restabelecida – IUHUUU... a resistência surge “do nada “ ! Essa “resistência dinâmica” recebeu o nome de REATÂNCIA INDUTIVA ( XL) e é medida, assim como os resistores, em Ohms.

Em decorrência disso, um problema que surge durante um projeto de placa-mãe (bom...isso não é da nossa conta, né ?) é o cuidado que se deve ter para definir os valores do choque L (medidos em Henry, microHenrys, miliHenrys...) e da frequência do PWM de forma a se evitar formar um divisor de tensão entre o choque e a resistência interna do processador que “mate” a tensão de Vcore, assim que a frequência do PWM atravessar o choque L ! Não entendeu ? Mas vai entender ! Dá uma olhada abaixo:

Bom...no circuito acima tá fácil de entender, né ? Toda tensão contínua de entrada, aplicada no choque, será percebida pelo processador (a carga R).

Já o mesmo não acontece se um sinal PWM de frequência F tenta atravessar o Choque. Perceba que agora o choque está operando em regime de Corrente Alternada e, portanto, temos que considerar sua Reatância Indutiva (Resistência Dinâmica) à passagem do sinal. Suponhamos que na frequência considerada (F) o choque apresente uma Reatância Indutiva ( XL) de 2Ω. Sendo assim, a situação agora é diferente. Observe o circuito abaixo e verifique que o surgimento da reatância indutiva gerou um divisor de tensão com a resistência interna do processador, “matando” 50% da amplitude do sinal que passa pelo choque. Nesse caso, teríamos 6Vcc no nó “A” . Olha lá !

É claro que um processador que necessite de 1 v de tensão de core funcionaria perfeitamente bem, nessas condições, desde que o capacitor que vai em paralelo com a carga (não mostrado aqui para simplificar o raciocínio) entregue a ela os 1V necessários (“desmontando e remontando” os pacotes de

CHOQUE

µProcessador

R=2Ω

Indutor em C.C.

R=0 Ω

Vin

Uma tensão CC aplicada no indutor, aqui, “aparece” sobre o processador, na íntegra !

VOUT = VIN

energia (como já vimos)) , reduzindo a tensão para seu valor adequado, em conformidade com o duty cycle empregado. Você se lembra de que o capacitor reduz a tensão de pico, não lembra ?

Acho que agora você entendeu o que eu quis dizer quando falei de “matar” a tensão do core, né ? Se um sinal PWM tiver uma frequência de oscilação tal que a Reatância Indutiva do choque, nessa frequência, em conjunto com a resistência interna do processador, formar um divisor de tensão cuja tensão resultante no nó “A” for inferior à Vcore...O processador nem ligará. Texto confuso, esse, né ? hahahahaha...Mas é assim, Brô !!!

No nosso exemplo acima, bastaria a frequência do PWM gerar uma reatância indutiva no choque de aproximadamente 22 Ω para “matar” o Vcore !

Bem, mas como disse anteriormente, ESTE não é um problema nosso...Os engenheiros é que devem evitá-lo !

O que deve ficar de informação pra você, nesta PARTE 2 é o fato de que a redução da tensão de 12Vcc para Vcore é um esforço conjunto entre as propriedades dos capacitores e das características do próprio circuito (valores de indutância do choque, valores de frequência do PWM e dos valores da resistência interna do Processador). E não se esqueça que os processadores possuem resistência interna VARIÁVEL, hein ? Essa resistência depende de “quantos circuitos internos” estão ativos no interior do processador em dado momento ! Afff...

Pra finalizar lembro a todos que essa configuração usada no circuito Buck choque + capacitor + resistência do processador é conhecida como “Filtro Passa Baixa de Segunda Ordem” ...Afff...(di novo !)

Indutor em regime AC µProcessador

R=2Ω

Choque

XL=2Ω

SINAL PWM

Amplitude MAX : 12Vcc

SINAL PWM

Amplitude MAX : 6Vcc

A

Aproximando-se Dos Circuitos Reguladores Do Vcore

Bom... agora que já estamos bem crescidinhos podemos dar uma olhada mais de perto nos circuitos comerciais utilizados nos Buck Converters (reguladores abaixadores). No circuito abaixo um transistor MOSFET de CANAL”N” (disparo com sinal POSITIVO no GATE) substitui a chave que usamos anteriormente, no início deste trabalho. A fonte de alimentação “E” é nosso 12v presente na placa-mãe, que alimenta o regulador. Fora isso não há novidades. Temos o diodo, o choque o nosso querido capacitor e o microprocessador, representado por uma resistência.

O MOSFET será excitado (no bom sentido !) através do sinal PWM aplicado em seu GATE. Assim ele trabalhará alimentando o choque e capacitor exatamente da forma como estudamos anteriormente, só que numa velocidade muito maior.

Fonte 12Vcc

Gerador PWM

µProcessador

Manter o diodo no circuito equivale a inserir um resistor em série com o processador, reduzindo o Vcore e aumentando as perdas térmicas.

Você sabe, né ? Na saída do gerador PWM encontramos um trem de pulsos de frequência definida pelas necessidades do projeto. Esse trem de pulsos chaveia o MOSFET na mesma velocidade e este transístor alimenta o choque, o capacitor e, finalmente, o processador com a tensão correta de, digamos 1,0V . Tudo certo, né ? Bem... Quase !

Meu Deus.... QUALÉ o PROBLEMA, AGORA ???

Bom...vou falar...É o DIODO !!!

Bosta, Groyks...Você não disse que o DIODO era a SOLUÇÃO pro problema daquele intervalo de tempo sem alimentação, durante o corte, no chaveamento?

É verdade, mas... aquele era um exemplo genérico e se a tensão de alimentação da carga não for muito baixa o diodo até que funciona...mas...Acontece que um diodo de uso geral “rouba” cerca de 0,8 v (na prática até 1,0v ! ) para poder funcionar quando polarizados diretamente. Diodos de chaveamento rápido (conhecidos como diodos SCHOTKY) “roubam”, na melhor das hipóteses, 0,5V. sabe o que ISSO significa ?

Imagine o MOSFET no corte (chave desligada)... o choque agora tem uma tensão de aproximadamente -10V para ser convertida em corrente através de um diodo que pede tanto pra funcionar quanto o ator principal : O processador ! Entendeu ? O processador precisa de 1v e o diodo “cobra” 1v do circuito pra poder fornecer a alimentação ! Isso significa PERDAS ! Uma perda de 10 %. Você pode achar que 10% seja pouco, mas não é ! Principalmente se você levar em consideração as correntes circulantes pelo circuito (80A, 90A, 100A...)[Nem o seu chuveiro consome uma corrente dessas !!! ]. No caso dos diodos SCHOTKY a perda deria de 5%. (mas não esqueça que o Vcore está diminuindo rapidamente e que mesmo os SCHOTKY não dariam conta do recado nos dias de hoje !) Se simplesmente ignorássemos essas “pequenas perdas” o aquecimento provocado pelo diodo diminuiria drasticamente a vida útil da placa-mãe. Tenha em mente que perdas significam calor e ripple (ondulação no fornecimento da alimentação).

Além disso, essa “queda” de tensão de 1,0v aproximadamente sobre o diodo, quando em condução (durante a etapa-2 de funcionamento do circuito buck), equivale a um resistor colocado em série com o processador, o qual “segura” 1,0v . Já entendeu, né? Além da dissipação do calor, é provável que o processador nem receba toda a tensão necessária para funcionar...Consequências catastróficas, né ?

Observe que esta “neura” dos projetistas em eliminar o máximo de perdas é absolutamente saudável !!!

Como disse, logo acima : menos perdas menos calor...vida longa...

Mais Uma Evolução No Circuito Buck

Bem, já sabemos do que precisamos: O ideal seria aterrar aquela ponta do choque (ligada ao catodo do diodo) em cada início de etapa-2 do circuito Buck (quando o choque gera tensão por causa do colapso do campo magnético quando o MOSFET está cortado) garantindo, dessa forma, perda zero. Você já sabe.. Isso é impossível, entretanto podemos usar a tecnologia para manter uma queda de tensão despreszível sobre o componente que “fará as vezes do diodo”. Dá uma olhada abaixo;

Olha só, irmão...qui doidera... A gente colocou um outro MOSFET (Q2) no lugar do diodo pra diminuir a resistência entre o choque e o GND, pois comparados aos diodos, os MOSFET possuem uma resistência entre DRENO (D) e SOURCE (S) da ordem de miliohms ! Aliás o que acabo de falar resume o famosíssimo parâmetro RDS(ON) ´[Resistência Dreno_Source em modo chaveado (on)].

Normalmente os MOSFETS já possuem uma resistência muito baixa, comparada aos diodos, entretanto existem MOSFETS com RDS(ON) ainda

GERADOR PWM

Q1 Q2

menor que os MOSFETS “tradicionais” para serem usados em situações como essas ! Essa configuração de MOSFETs usada nos estágios de saída dos reguladores do Vcore ganhou fama e os projetistas se referem à Q1 como sendo o “transistor de cima” e à Q2 como “transistor de baixo”. Você já deve ter observado que nas placas-mãe os transistores do lado de baixo nunca são iguais aos do lado de cima, não ? É justamente por causa do parâmetro RDS(ON) .!

Olhando o circuito acima percebemos que além de colocarmos um MOSFET para desempenhar o papel do diodo, durante a etapa em que Q1 encontra-se em corte, o gerador PWM teve que ser reprojetado para chavear Q2 enquanto Q1 está desligado (conectando o choque à GND !) . Dá uma olhada abaixo e acompanhe no gráfico, pelas cores, o que ocorre com os sinais que excitam Q1 e Q2.

As cores escolhidas para pintar esse gráfico têm a ver com aquelas que utilizei na página 9 para representar o funcionamento do circuito buck durante as etapas 1 e 2. Enquanto o sinal “vermelho” carrega o choque, o sinal ”azul” o descarrega, conectando-o à terra e fazendo-o fornecer corrente para a carga (processador). Perceba que a duração do pulso azul é ligeiramente diferente da duração do pulso vermelho, por causa do “tempo morto”.

Este atraso no sinal de acionamento de Q2 chama-se “tempo morto” e evita fritar os transistores caso AMBOS estejam conduzindo !

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Tensão de acionamento de Q1

Tensão de acionamento de Q2

Diminuindo (Ainda Mais) As Perdas ! (AUMENTANDO A EFICIÊNCIA)

Se um MOSFET de baixíssimo RDS(ON) já melhora em muito o desempenho do conversor buck, imagine se ligássemos DOIS MOSFETs em paralelo (dividindo ao meio, suas já baixíssimas resistências) !!! E é exatemente ISSO que os projetistas fazem, na prática nos projetos atuais. Como a exigência de corrente, por parte dos processadores está muito alta, são colocados dois MOSFETs “do lado de baixo” para minimizar ao máximo as perdas, aumentando a eficiência e a potência dos reguladores do Vcore. Abaixo você vê um circuito típico utilizado em estágios de saída dos reguladores Vcore de placa-mãe, utilizado na quase totalidade dos microcomputadores atuais.

O MOSFET Q3 opera em paralelo com Q2 para minimizar ao máximo as perdas durante a conversão CC-CC.

GERADOR PWM

Q1

Q3

Q2

Abaixo tô mostrando uma configuração muitíssimo utilizada em MOBOS (ASUS, por exemplo) . O circuito integrado “grandão” é o gerador PWM (ADP3180) . Dá uma olhada !

Circuito Regulador do Vcore com 3 FASES

Os CIs menores são os acionadores dos MOSFETs. Observe que cada um destes CIs recebe um sinal do gerador PWM e é responsável pelo acionamento de três MOSFETs : um do “lado de cima” e dois “do lado de baixo”. Cada conjunto desses representa UMA FASE do estágio de saída do Regulador Abaixador do Vcore. Procure olhar o diagrama acima identificado, em cada fase, um circuito Conversor Buck COMPLETO, igual ao que temos estudado até aqui !

Observe, também que ao mesmo nó entre a “parte de cima” e a “parte de baixo” está conectado o choque e que todos os choques de todas as fases estão ligados em comum, em suas saídas, além de estarem conectados aos capacitores (claro). E é justamente nesse ponto que temos o Vcore, pronto pra ser aplicado ao processador. Veja que os MOSFETs “de baixo” são em número de dois, contra apenas UM “do lado de cima” (exatamente como estudamos). Como temos dois MOSFETs embaixo ligados em paralelo é natural encontrarmos o MOSFET “de cima” torrado, ao invés dos de baixo, pois estes últimos aguentam uma corrente muito maior que o de cima, justamente por estarem em paralelo, ok ?

.Observe que o ADP3180 possui à esquerda, seis linhas de dados que recebem informação do processador (está escrito “from CPU”) e que contém a informação binária que “diz” ao gerador PWM qual a tensão de Vcore este processador utiliza. Recebido este sinal o próprio gerador PWM calcula o Duty Cycle adequado e distribui as frações adequadas às diversas fases presentes (no caso, apenas 3).

A Ideia Das Fases !

Com o aumento da corrente exigida pelos processadores atuais, os projetistas viram-se num beco sem saída. Como prover uma corrente de 75A (isso mesmo, 75 Amperes !!! E já estamos na casa dos 150A, hein ?) com apenas UM úncio MOSFET ? Supondo que isso fosse possível (não é !) diga-me...por quanto tempo você acha que esse pobre coitado iria funcionar, nessa vida loka, chaveando 75A a, digamos, 300KHz ? Pois é...

Agora veja de forma diferente... Temos 3 conjuntos de 3 MOSFETs chaveando 25A cada. Eles trabalham mais “folgados”, não ? Então...esquentam menos, desgastam-se menos e consequentemente “vivem mais”. Entende, agora, a ideia das fases ?

O gerador PWM “distribui” o sinal de chaveamento pelos outros 3 CIs menores (os acionadores dos MOSFETs em cada fase). O gráfico abaixo ilustra o chaveamento de um Regulador do Vcore de três fases.

Durante todo este trabalho utilizei o termo “Gerador PWM”, entretanto é chegada a hora da verdade ! Não se trata APENAS de um gerador, mas de um CONTROLADOR PWM ! Além de GERAR o sinal PWM na frequência adequada e compartilhá-lo entre as fases existentes no Circuito Regulador, o Controlador PWM tem terminais conectados à saída do Vcore (veja o diagrama acima do ADP3180) e efetua constantemente a leitura dos níveis de tensão e corrente que estão sendo entregues ao processador. Uma variação no Vcore “para mais” é imediatamente “percebida” pelo controlador PWM que trata de diminuir o Duty Cycle instantâneamente, “trazendo” o valor de Vcore para os especificados pelo próprio processador. Veja que este procedimento, a partir do instante em que o processador é ligado, repete-se indefinidamente até o

FASE 1

FASE 2

FASE 3

DIAGRAMA “A”

Tensão (v)

Tensão de acionamento enviada pelo gerador PWM aos CIs ACIONADORES DOS MOSFETs

Por sua vez, cada CI ACIONADOR de MOSFET divide sua parcela de tempo (duty cycle cedido pelo PWM) entre nível alto para o MOSFET “lado de cima” e nível alto para OS MOSFETs “lado de baixo”.

momento em que o computador é desligado. Perceba que ora o controlador PWM aumenta o duty cycle, ora o diminui, em conformidade com as necessidades do processador. Foi falado, no início deste estudo, sobre as flutuações de consumo de um processador, conforme as exigências do momento e não fosse esta atuação do controlador PWM seria impossível fornecer uma tensão Vcore estável, dentro das especificações de cada processador.

Abaixo, apresento uma imagem de MOBO onde podemos visualizar três fases do Regulador do Vcore.

FASE 1

FASE 2

LADO DE BAIXO

LADO DE CIMA CHOQUE

ACIONADOR DOS MOSFETs

Uma outra olhadinha com outros detalhes...

Em textos em inglês (Argh...!) você verá a denominação MOSFET DRIVER, para indicar aquele CI ACIONADOR dos MOSFETs. (DRIVER=ACIONADOR).

E por falar no driver de MOSFETs, abaixo podemos ver um desses “Ceizinhos” numa configuração típica. Note que neste projeto é utilizado APENAS UM MOSFETcomo transistor “do lado de baixo”.

Do lado esquerdo do Ci vemos os pinos de entrada [PWM] e [EN] vindos do controlador PWM. Do lado direito, [DRVH] driver HIGH (alto) e [DRVL] driver LOW (baixo) acionam os MOSFETs “alto” e “baixo” respectivamente.

Bom...hora de ir... !

Eu poderia estar matando...eu poderia estar roubando...eu poderia estar te enganando (numa bela sala com duas belíssimas “assessoras”)...mas resolvi, humildemente, escrever esta aulinha, aqui. Pra você !

Espero que este material lhe seja muito útil. Aproveite-o ao máximo. Leia-o, releia-o e coisas do tipo.

Para sugestões, agradecimentos, críticas construtivas/destrutivas ou ameaças de morte use sergiogreiso@gmail.com

LEMBREM-SE, NOBRES !

NUNCA VOTEM EM VACAS : ELAS ESTÃO CAGANDO E ANDANDO PRA NÓS !!!