18/11/18

Fonte de alimentação FAU200

Trata-se de uma fonte de alimentação ajustável, controlada por USB, que pode fornecer uma tensão entre 0 e 4V. Embora não possa ser considerada uma fonte de precisão, a FAU200 permite o ajuste da sua tensão de saída ao milivolt. A corrente máxima é de cerca de 250mA se bem que, em termos práticos, esse valor seja limitado a apenas 200mA de modo a não exceder a capacidade nominal de um porto USB 2.0. Esta fonte pode alimentar cargas com forte componente reactiva, e suporta condições de curto-circuito e corrente excessiva na sua saída. Para além disso é isolada, podendo por conseguinte ser ligada em série com outras fontes de alimentação.

Parâmetros de funcionamento:
– V d. mín. = 4,92V
– V d. nom. = 5V
– V d. máx. = 5,25V
– I L máx. = 200mA


Características eléctricas:
– I d. (V out = 2V, I L = 0mA) = 70,90mA
– I d. (V out = 2V, I L = 200mA) = 489,5mA
– P (V out = 2V, I L = 0mA) = 354,5mW
– P (V out = 2V, I L = 200mA) = 2,447W


Características da saída:
– Tensão máxima: 4,09V
– Incremento em tensão: 1mV
– Ruído (V out = 2V, I L = 0mA): 1,41mVrms
– Ruído (V out = 2V, I L = 200mA): 1,56mVrms
– Exactidão: ±(0,782% + 7,5mV)
– Regulação de carga: 9,72mV/A
– Corrente em curto-circuito (I SC): 259mA


Outras características:
– Coeficiente de temperatura da referência de tensão: 10ppm/°C
– Resolução do controlo de tensão: 12bit


Fonte de alimentação FAU200.

Tensão de saída da fonte a ser medida com um multímetro. A tensão está definida para 2,5V.

Embora o circuito seja algo complexo, pode ser facilmente dividido em blocos mais simples. O transístor em Q2, do tipo MJD31C, é o elemento de passagem série que actua na regulação da fonte. Este transístor é controlado pelo amplificador operacional OPA705 (IC9) por via do resistor R7. Tal amplificador operacional assume o papel de amplificador de erro, compensando a queda de tensão em Q2 e R8, para que a tensão de saída da fonte iguale a tensão dada pelo conversor digital-analógico em IC8.

Convém referir que o OPA705 foi escolhido por apresentar uma tensão de offset de entrada muito baixa. Por outro lado, o conversor digital-analógico em IC8, um LTC2640CTS8-HZ12, mostra uma exactidão razoável para o propósito em questão. Em suma, são estes dois componentes que determinam a exactidão da fonte de alimentação.

O transístor em Q3 actua quando a corrente à saída da fonte atinge um valor rondando os 259mA. Nessa situação, a queda de tensão através de R8 atinge cerca de 0,65V, fazendo com que Q3 deixe de estar ao corte e passe a conduzir, o que por sua vez faz com que a tensão presente na base de Q2 baixe, efectivamente limitando a corrente de saída. Note que R7 limita a corrente de saída do amplificador operacional nesta situação. Quando Q3 actua, a tensão de saída baixa por forma a que a corrente não exceda o valor anterior, ficando assim a fonte de alimentação protegida contra condições de curto-circuito e corrente excessiva.

Circuito da etapa de regulação.

O conversor digital-analógico (IC8) é controlado via SPI, por intermédio do isolador digital em IC7, um ADuM1310. Esse controlo é feito pelo interface CP2130, um conversor USB-SPI que já foi empregue em projectos anteriores. A necessidade de se isolar a massa da etapa final da massa proveniente do host USB é, neste caso, essencial para que a fonte possa ser utilizada nas mais diversas situações. Daí, a aplicação do isolador digital.

A alimentação de todo o circuito é feita por USB. O conversor DC-DC em IC5, do tipo RI3-0509S, é um conversor com isolamento que converte os 5V provenientes do host para a tensão de 9V necessária à etapa de regulação. Um segundo regulador de 5V alimenta o conversor digital-analógico e parte do isolador digital.

Para além da protecção contra curto-circuitos e corrente excessiva que foi referida anteriormente, esta fonte de alimentação está munida de protecções contra sobre-tensões e descargas electrostáticas. O dispositivo PolyZen em IC1 protege todo o circuito contra sobre-tensões provenientes da alimentação USB, também actuando em situações de corrente excessiva. Por sua vez, IC2 e IC3 oferecem protecção contra transientes. A saída da fonte também está protegida contra transientes, nomeadamente os que são originados por cargas de natureza capacitiva ou indutiva. Essa protecção é exercida pelos díodos D4 e D5.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/15-20 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/12 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8/9 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10 – Condensador cerâmico multi-camada 470pF 1KV (1206);
C11/14 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C13 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C21 – Condensador electrolítico de nióbio NOJC476M010 (NOJC476M010RWJ ou equiv.);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
D3 – LED WP1503CB/GD;
D4 – Díodo rectificador S1A;
D5 – Díodo de comutação rápida MMSD4148;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Conversor DC-DC isolado RI3-0509S;
IC6 – Regulador de tensão LP2985-50 (LP2985-50DBV);
IC7 – Isolador digital ADuM1310 (ADuM1310ARWZ);
IC8 – Conversor digital-analógico LTC2640CTS8-HZ12;
IC9 – Amplificador operacional OPA705 (OPA705NA);
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2 – Bloco de terminais de 2 bornes;
L1 – Indutor de potência XFL3012-103ME (XFL3012-103MEB ou XFL3012-103MEC);
Q1 – Transístor MOSFET de potência FDN327N;
Q2 – Transístor bipolar de potência MJD31C;
Q3 – Transístor bipolar MMBT3904;
R1 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3/9 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805);
R7 – Resistor de filme espesso 470Ω±5% 1/8W (0805);
R8 – Resistor de filme espesso 2,7Ω±5% 1/2W (1210).


Como é habitual, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Recomendo que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, visto que a mesma foi desenhada tendo em conta as especificações deste serviço. Porém, pode utilizar outro serviço de fabrico, desde que este suporte layouts de quatro camadas com furação mínima de 0,5mm. O stackup e materiais não têm de ser idênticos aos especificados pelo OSH Park.

A montagem da placa requer equipamento especializado. Os componentes SMD devem ser soldados por refusão com ar quente, devendo a pasta de solda ser colocada com um stencil. Primeiro devem ser soldados os componentes da face superior, e só depois os da face inferior, aplicando o calor durante o intervalo de tempo mais curto possível. Os componentes through-hole são soldados em último lugar, bastando para tal um simples ferro de soldar.

À semelhança de muitos outros projectos, a caixa recomendada é a Hammond 1457C801. É uma caixa em alumínio anodizado com tampas lacadas a pó preto. Pode também optar pelo modelo 1457C801BK do mesmo fabricante, com o corpo igualmente lacado a pó preto. As tampas devem ser furadas de acordo com o guia de furação. É importante mencionar que a furação da tampa frontal foi feita a pensar nos bornes da série TP1 da Cliff.

Uma vez montada a fonte de alimentação, é primordial que se configure o respectivo interface CP2130. No caso particular deste projecto, tal só é possível em Linux, após a instalação do programa de configuração fornecido no pacote "fau200-r0-conf-1.0.tar.gz" disponível na pasta "Software". Consulte as notas do projecto para saber mais detalhes. Todos os ficheiros e pastas relevantes podem ser acedidos a partir da pasta do projecto.

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/0pph...96qw
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/rddm...vdjh
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/n5yy...zthz
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/jjy6...zovx
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/bcal...3fmc
Guia de furação: https://app.box.com/s/kx8l...8kh4
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/0cci...wkqq
Software (Linux): https://app.box.com/s/928r...9jnt
Notas do projecto: https://app.box.com/s/fkr2...ivov
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/qabo...v62y
Projecto no OSH Park: https://www.oshpark.com/shared_projects/YdyIvhRm

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