Выбор правильного типа выходного конденсатора для импульсного стабилизатора

Aug 18, 2023

В предыдущих статьях этой серии рассматривалось электрическое поведение понижающих импульсных регуляторов, давались рекомендации по выбору первоначального размера дросселя, а также обсуждалась точная настройка тока дросселя и индуктивности. Теперь, с помощью моделирования LTspice и схемы ниже (рис. 1), мы исследуем взаимосвязь между характеристиками конденсаторов и характеристиками импульсных понижающих преобразователей.

Индуктор в импульсном регуляторе обеспечивает коммутационное действие для создания сигнала нарастания/спада тока. Однако нам нужна выходная емкость для хранения и высвобождения заряда таким образом, чтобы ток, протекающий в нагрузку, и напряжение на нагрузке оставались стабильными, несмотря на (потенциально довольно большие) изменения тока дросселя. График ниже (рис. 2) показывает, что происходит, когда я практически исключаю выходной конденсатор, используя очень маленькое значение для C1.

Таким образом, мы видим, что выходной конденсатор импульсного стабилизатора выполняет критическую функцию фильтрации. Поэтому этот компонент следует выбирать тщательно, обращая внимание как на тип конденсатора, так и на значение его емкости. В этой статье мы сосредоточимся на типе конденсатора; в следующем мы обсудим ценность.

В низковольтных электронных устройствах чаще всего используются три технологии изготовления конденсаторов: керамические (также известные как MLCC, что означает многослойный керамический конденсатор), алюминиевые электролитические и танталовые. Ниже я суммировал плюсы и минусы каждого из них, уделяя особое внимание качествам, связанным с импульсными источниками питания; пожалуйста, имейте в виду, что это обобщения, и что обобщения по своей природе жертвуют определенной степенью точности ради краткости и простоты.

Тенденция в конструкции импульсных регуляторов направлена ​​на повышение частоты переключения, что позволяет снизить выходную емкость. Это делает керамику более подходящим выбором для выходных конденсаторов; те, кто хочет получить дополнительную информацию по этой теме, могут найти мое руководство по типам керамических конденсаторов.

В целом я считаю керамические конденсаторы наиболее полезными. Я рассматриваю электролитический алюминий или тантал только в том случае, если есть веская причина избегать керамики.

Какая характеристика больше всего влияет на выбор типа выходного конденсатора, зависит, по крайней мере частично, от ваших приоритетов. Однако если вы фокусируетесь на электрических характеристиках, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), вероятно, является наиболее важным фактором, который следует учитывать.

В схемах импульсных преобразователей обычно лучше чем меньше ESR. Более высокий ESR приводит к более высоким пульсациям выходного напряжения и снижению эффективности; это также может отрицательно повлиять на стабильность контура управления, который регулятор использует для поддержания заданного выходного напряжения. Однако теоретически контур управления переключателем может быть спроектирован с учетом конденсаторов с более высоким ESR, поэтому мы не можем сказать, что более низкое ESR всегда лучше для стабильности. Следует иметь в виду один важный факт: ESR конденсатора не является постоянным в зависимости от частоты. Вам необходимо использовать значение ESR, соответствующее рабочей частоте вашей схемы.

Если вы используете готовый переключатель, мы надеемся, что в техническом описании будут указаны примеры номеров деталей конденсаторов или рекомендуемый диапазон ESR. Вы также можете найти моделирование полезным для определения успешных параметров конденсатора, особенно если рекомендации по техническому описанию ограничены или недоступны, и вы можете добавить ESR к идеальному конденсатору, чтобы сделать моделирование более совместимым с реальным электрическим поведением.

Более полная модель реального конденсатора включает в себя как ESR, так и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Вы можете прочитать больше об ESR и ESL во второй части моей серии статей о байпасных конденсаторах.

На следующем графике (рис. 3) показаны пульсации выходного сигнала схемы переключателя, показанной на рис. 1, с идеализированным выходным конденсатором (ESR = 0 Ом, ESL = 0 Гн).

Теперь давайте изменим выходной конденсатор так, чтобы его поведение больше соответствовало поведению керамического конденсатора 0805. Мы установим эквивалентное последовательное сопротивление равным 10 мОм, что является разумным значением для керамического конденсатора при рабочей частоте нашего переключателя 1,5 МГц. Новая кривая VOUT показана ниже на рисунке 4 с идентичными настройками для вертикальной и горизонтальной осей, чтобы облегчить прямое визуальное сравнение.