O barramento de 12V em corrente contínua (DC) foi, por décadas, uma escolha confiável para engenheiros, tornando-se praticamente um padrão tanto em sistemas com baterias quanto em projetos ligados à rede elétrica. Isso se deve, em grande parte, à popularização da bateria de chumbo-ácido de 12,6V (seis células) nos anos 1950 pela indústria automotiva, o que gerou produção em larga escala, redução de custos e ampla disponibilidade no mercado.
Ao longo dos anos, as exigências energéticas cresceram de forma expressiva, impulsionadas por aplicações cada vez mais complexas. Áreas como automação industrial, robótica, veículos elétricos leves, sistemas solares, equipamentos autônomos e bancadas de teste automatizadas passaram a demandar muito mais energia.
Como resultado, a quantidade de potência que uma fonte de 12V consegue fornecer de forma eficiente a dispositivos conectados atingiu um limite prático e, em muitos casos, tornou-se inviável. Com o aumento das correntes, surgem perdas resistivas (IR) nos cabos, provocando quedas excessivas de tensão entre a fonte e a carga. Além disso, a dissipação de energia (I²R) gera desperdício e agrava os desafios térmicos do sistema. Tanto a queda de tensão quanto a dissipação de potência são consequências inevitáveis das leis da física.
Até pouco tempo, a solução mais comum para esse problema era o uso de cabos e conectores mais grossos. No entanto, essa abordagem traz custos elevados em termos de peso dos cabos, de restrições no roteamento e de necessidade de conectores mais robustos. Por isso, ela deixou de ser viável para muitas aplicações modernas.
Neste artigo, explicamos por que migrar para um sistema de distribuição de energia em 48V é mais vantajoso do que tentar adaptar projetos legados de 12V para atender às crescentes demandas de potência dos eletrônicos atuais. Além disso, mostramos como uma solução com conversor bidirecional em ponte pode ajudar os projetistas a enfrentar essa transição de energia DC de 12V para 48V de forma eficiente.
A Solução em Alta Tensão
Diante das limitações de atualizar ou redesenhar sistemas de 12V, uma solução muito mais eficiente é aumentar a tensão do barramento e 48V surge como a escolha mais lógica por diversos motivos:
- 48V é exatamente quatro vezes o valor do sistema de 12V, o que permite o uso de quatro baterias em série em aplicações que não são alimentadas diretamente pela rede elétrica (ou mesmo em sistemas híbridos com alimentação AC e bateria);
- A arquitetura baseada em 48V otimiza a eficiência da rede de energia, permanecendo abaixo do limite de segurança (geralmente 60V, segundo a maioria das regulamentações), o que dispensa cuidados especiais com isolamento ou proteção;
- Essa tensão relativamente elevada, mas ainda modesta, evita problemas como ruptura de isolamento ou arco elétrico (flashover);
- Apesar de superior a 12V, muitos processos de fabricação de semicondutores já suportam essa faixa de tensão com facilidade.
Os benefícios elétricos são evidentes. Para uma mesma potência transmitida em um cabo, a corrente em 48V é quatro vezes menor do que em 12V, o que reduz as perdas resistivas em 75%. Alternativamente, é possível utilizar cabos significativamente mais finos, mantendo as perdas dentro de limites aceitáveis. Do ponto de vista energético, a dissipação nos cabos cai para um décimo-sexto do valor anterior ao se manter a fiação original ou pode-se optar por cabos mais finos, ainda assim com dissipação e aquecimento muito inferiores.
No entanto, não é viável projetar sistemas que exijam uma substituição completa para 48V. Há uma grande quantidade de fontes, cargas e componentes legados em 12V que não podem, e nem devem, ser descartados. O desafio está em tornar essa transição gradual, permitindo que barramentos legados de 12V alimentem novos sistemas de 48V, assim como novos sistemas em 48V possam fornecer energia para dispositivos antigos de 12V.
Em muitos desses projetos, coexistirão sistemas legados em 12V e novos sistemas em 48V, exigindo conversão eficiente e compacta entre as duas tensões. Felizmente, a Vicor oferece módulos de potência capazes de fazer essa ponte entre os barramentos de 12V e 48V.
Comece com a Conversão Step-Down
À medida que mais aplicações adotam arquiteturas com barramento de 48V, os conversores DC-DC da Vicor de 48V para 12V oferecem uma forma simples de manter a compatibilidade e interoperabilidade com sistemas legados em 12V.
Um exemplo são os módulos DCM3717 (1000W contínuos) e DCM3735 (2000W contínuos), que operam com tensões de entrada de 40VDC a 60VDC e fornecem uma saída regulada de 12V, ajustável entre 10V e 12,5V (Figura 1). É possível conectar até quatro desses módulos em paralelo para atender a demandas de potência mais elevadas. Esses módulos não isolados também integram interface PMBus, permitindo controle e telemetria.
Seu design avançado exige poucos componentes externos, o que contribui para uma alta densidade de potência na placa (Figura 2). Operando com frequência de comutação acima de 1 MHz, esses conversores alcançam até 96% de eficiência máxima, o que indica claramente a baixa carga térmica imposta ao sistema. Eles podem ser usados de forma independente ou em conjunto com produtos PoL (Point-of-Load) para compor redes de distribuição de energia eficientes.
O conversor em encapsulamento surface-mount (SM-ChiP™), com revestimento metálico e moldado por sobreinjeção, resulta em uma solução muito mais compacta do que as alternativas com componentes discretos (Figura 3). Os números falam por si: o DCM3717 de 1000W mede 36,7mm × 17,3mm × 5,2mm, enquanto o DCM3735 de 2000W mede 36,7mm × 35,4mm × 5,2mm. Apesar do tamanho reduzido, esses encapsulamentos oferecem excelente desempenho térmico, com dissipação de calor eficiente e bem distribuída, graças à baixa impedância térmica tanto na parte superior quanto inferior do pacote, facilitando o gerenciamento térmico.
Adicione recursos Step-Up
Para complementar a conversão step-down, o NBM2317 da Vicor é um conversor DC-DC bidirecional de 12V/48V operando a 1,7 MHz, que conecta sistemas modernos e legados, suportando tanto tensões novas quanto antigas. No modo step-down, ele opera com uma tensão alta entre 40V e 60V e gera uma tensão proporcional baixa, ajustável entre 10V e 15V (Figura 4). Dessa forma, o dispositivo atende tanto a hardware legado quanto a componentes atualmente disponíveis apenas em versões de 12V, o que é muitos.
A mesma unidade também pode ser usada no modo step-up para criar um barramento de 48V a partir de barramentos legados de 12V, permitindo o suporte a novos equipamentos em sistemas com tensões mais baixas (Figura 5).
O encapsulamento SM-ChiP™ para montagem em placa oferece uma solução compacta, eficiente e econômica para o desafio das tensões de barramento, sejam elas antigas ou novas. Com dimensões de apenas 23mm × 17mm × 5,2mm, ocupa uma fração do espaço requerido por conversores convencionais de comutação mais lenta (abaixo de 1 MHz).
Esse conversor de ponte não isolado entrega 1000 W de potência contínua e 1,5 kW em pico, alcançando eficiência máxima de 97,9% a 800 W. Sua corrente de saída nominal (no modo step-down) é de 60A contínuos e 100A em transientes de até 2ms, enquanto no modo step-up os valores são 15A contínuos e 25A em transientes. O filtro interno garante uma saída de baixo ruído sem necessidade de componentes adicionais, e o conversor responde a variações rápidas de carga em menos de 1µs, mantendo a saída dentro de uma faixa de tensão muito estável.
Conclusão
A justificativa para a transição de redes de distribuição de energia DC de 12V legadas para sistemas de 48V é bastante sólida. Essa mudança resolve problemas crescentes relacionados à eficiência, ao tamanho e ao gerenciamento dos cabos, além das perdas energéticas. Ao mesmo tempo, muitos barramentos, cargas e componentes em 12V ainda estão em uso e serão dificilmente substituídos no futuro próximo. Módulos como os conversores step-down da Vicor e os conversores bidirecionais oferecem a flexibilidade necessária para lidar com cenários que envolvem múltiplos barramentos duplos.
Artigo escrito por Bill Schweber e publicado no blog da Mouser Electronics: Bidirectional Bridge Converters Tackle 12V/48V DC-Power Transition
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
