Blog

Sep 24, 2023

Kapazitätswerte für eine Stufe auswählen

In meinem letzten Artikel haben wir die wichtigsten Eigenschaften von Keramik-, Aluminium-Elektrolyt- und Tantalkondensatoren besprochen; Anschließend untersuchten wir die Rolle des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) des Ausgangskondensators

In meinem letzten Artikel haben wir die wichtigsten Eigenschaften von Keramik-, Aluminium-Elektrolyt- und Tantalkondensatoren besprochen; Anschließend untersuchten wir die Rolle des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) des Ausgangskondensators beim Entwurf von Schaltreglern. Jetzt betrachten wir die Kompromisse bei der Auswahl eines Kapazitätswerts und arbeiten ein Designbeispiel basierend auf der gewünschten Ausgangswelligkeit durch. Alle LTspice-Simulationen verwenden das Schema in Abbildung 1, obwohl sich der Wert von C1 ändert.

Höhere und niedrigere Kapazitätswerte haben beide ihre eigenen Vor- und Nachteile: Sie müssen entscheiden, welcher Wert sie für Ihre beabsichtigte Anwendung am besten ausbalanciert. Zu diesem Zweck werfen wir einen kurzen Blick auf beide Vorteile.

Wie wir im vorherigen Artikel erwähnt haben, beeinflusst der Kondensatortyp den Kapazitätswert. In gewisser Weise hilft der Kapazitätswert auch bei der Bestimmung des Kondensatortyps: Wenn Sie beispielsweise eine hohe Ausgangskapazität wählen, ist die Verwendung eines Keramikkondensators nahezu ausgeschlossen. Da Keramikkondensatoren einen niedrigen ESR bieten und im Allgemeinen für SMPS-Schaltungen vorzuziehen sind, kann es sich lohnen, einen niedrigeren Kapazitätswert zu wählen, um die Vorteile dieser Technologie nutzen zu können.

Kleinere Keramikkondensatorpakete haben eine geringere Induktivität und sind daher bei hohen Frequenzen effektiver; Darüber hinaus führt die Anforderung einer geringeren Ausgangskapazität typischerweise zu einem kostengünstigeren und weniger sperrigen Kondensator.

Schließlich vermeidet eine niedrige Ausgangskapazität das Problem einer übermäßigen Ausgangskapazität, die dazu führen kann, dass der Regler beim Start so viel Strom zieht, dass er in einen Überstromschutzmodus wechselt.

Bei Elektrolytkondensatoren nimmt der ESR tendenziell ab, wenn die Kapazität zunimmt. Außerdem (und unabhängig vom Kondensatortyp) ist die Größe der Ausgangswelligkeit umgekehrt proportional zur Ausgangskapazität: mehr COUT bedeutet weniger ΔVOUT.

Bedenken Sie, dass die Ausgangswelligkeit eine wichtige Rolle spielt. Die wellige Ausgangsspannung ist eine der grundlegenden Schwächen von Schaltnetzteilen im Vergleich zu Linearreglern. Bei manchen Anwendungen ist die Minimierung der Ausgangswelligkeit ein wichtiges Designziel.

Wenn Sie eine maximale Ausgangswelligkeit im Auge haben, können Sie diese als Grundlage für die Auswahl eines Kapazitätswerts verwenden. Hier ist die Formel:

$$C_{OUT}=\frac{\Delta I_L}{8\times f_S\times\Delta V_{OUT}}$$

Stellen wir uns vor, dass wir diese Formel verwenden, um einen Anfangswert für COUT zu wählen, und dass wir noch keinen simulierten Wert für die Stromwelligkeit des Induktors (ΔIL) haben. In diesem Fall können wir die 30 %-Regel verwenden, die wir zum ersten Mal im Artikel zur Auswahl eines Induktivitätswerts gesehen haben: Wir streben eine Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktorstroms an, die 30 % des erwarteten Ausgangsstroms beträgt, d. h. ΔIL = 0,30 × 70 mA = 21 mA.

Wir haben bereits eine Schaltfrequenz (fS) von 1,5 MHz gewählt. Jetzt müssen wir nur noch eine Spezifikation für ΔVOUT auswählen.

Obwohl die obige Formel impliziert, dass Sie einfach so lange Ausgangskapazität hinzufügen können, bis die Welligkeit verschwindet, gibt es im wirklichen Leben praktische Grenzen. Beispielsweise ist der LTM4702 von Analog Devices Teil der „Silent Switcher“-Reihe rauscharmer Schaltregler. Die Leute, die diese Komponente entwickelt haben, wissen weitaus mehr über die Optimierung der Schalterleistung als ich, und dennoch beträgt die typische Ausgangswelligkeit des LTM4702 8 mV (und das bei einer Ausgangskapazität von 200 μF).

Glücklicherweise ist es zwar schwierig zu wissen, wie niedrig die Welligkeit für eine bestimmte Anwendung wirklich sein muss, aber meiner Erfahrung nach sind Niederspannungsschaltkreise – selbst analoge Schaltkreise – ziemlich resistent gegen Rauschen auf der Stromleitung (wir dürfen nicht vergessen, dass jeder IC dies bereits hat). einen eigenen Bypass-Kondensator).

Ich denke, dass ΔVOUT = 20 mV ein erreichbares Ziel ist, also werden wir das als Ausgangspunkt verwenden. Wenn wir die Zahlen bei ΔVOUT = 20 mV berechnen, erhalten wir Folgendes:

$$C_{OUT}=\frac{.021\ A}{8\times 1500000\ Hz\times .020\ V}=87,5\ nF$$

Kehren wir nun zum LTspice-Schaltplan zurück und ändern den Wert von C1 auf 87,5 nF. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm von VOUT:

Wie Sie im Cursorfeld sehen können, liegt die Spitze-zu-Spitze-Variation von VOUT ziemlich nahe an unserem theoretischen Wert von 20 mV.

Wir können auch den Induktorstrom überprüfen, um zu sehen, ob dieser neue Kondensatorwert – der deutlich kleiner ist als der Standardwert von 1 μF, mit dem wir begonnen haben – unerwünschte Änderungen verursacht hat. Wie das nächste Diagramm (Abbildung 3) zeigt, liegt unser ΔIL in der Nähe von 21 mA, wobei sich die Spitzen etwa 13 mA über und 13 mA unter dem 70-mA-Laststrom erstrecken.

Bei einigen Anwendungen besteht keine große Notwendigkeit, die Ausgangswelligkeit zu reduzieren. Eine rein digitale Schaltung könnte beispielsweise auch bei weit mehr als 20 mV Welligkeit der Versorgungsspannung normal und zuverlässig funktionieren.

Diese Anwendungen können jedoch abrupten Änderungen des Laststroms unterliegen. Da die Induktivität in einem Schaltregler nur begrenzt auf solche Änderungen reagieren kann, spielt der Ausgangskondensator eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Laststrom bei transienten Ereignissen. Daher ist es in diesen Fällen sinnvoll, den Ausgangskondensator anhand des Einschwingverhaltens und nicht anhand von ΔVOUT auszuwählen.

Ein Laststrom-Transientenereignis führt zu einer vorübergehenden VOUT-Abweichung, die in der folgenden Formel mit VOS bezeichnet wird („OS“ steht für „Overshoot“, die Abweichung kann aber auch „Undershoot“ sein). Wenn Sie Ihre maximal erwartete Änderung des Laststroms kennen und ein VOS-Ziel im Auge haben, können Sie die folgende Formel verwenden, um einen Anfangswert für COUT zu berechnen:

$$C_{OUT}=\frac{(\Delta I_{OUT})^2 \times L}{2\times V_{OUT} \times V_{OS}}$$

Abgesehen davon sind alle in diesem Artikel vorgestellten Formeln zur Kapazitätsberechnung in diesem Anwendungshinweis von Texas Instruments zu finden.

Damit haben wir uns zwei Möglichkeiten zur Bestimmung einer geeigneten Ausgangskapazität für einen Abwärtswandler angesehen und die Vorteile höherer und niedrigerer Kapazitätswerte dargelegt.

Dieser Artikel befasste sich zusammen mit dem vorherigen mit der Auswahl von Kondensatoren für Abwärtsschaltregler. In den beiden vorherigen Artikeln ging es um die Auswahl eines Induktors. Während ich vorhabe, in Zukunft andere Schaltwandler-Topologien zu erkunden, ist dies der Abschluss meiner Serie über die Komponentenauswahl für Abwärtswandler.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Robert Keim