Блог

Sep 24, 2023

Выбор значений емкости для ступени

В моей последней статье мы обсудили ключевые характеристики керамических, алюминиевых электролитических и танталовых конденсаторов; затем мы исследовали роль эквивалентного последовательного сопротивления выходного конденсатора (ESR) в

В моей последней статье мы обсудили ключевые характеристики керамических, алюминиевых электролитических и танталовых конденсаторов; Затем мы исследовали роль эквивалентного последовательного сопротивления выходного конденсатора (ESR) при разработке импульсных стабилизаторов. Теперь мы рассмотрим компромиссы, связанные с выбором значения емкости, и рассмотрим пример конструкции, основанный на желаемой пульсации выходного сигнала. Во всех симуляциях LTspice будет использоваться схема, показанная на рисунке 1, хотя значение C1 изменится.

Как у более высоких, так и у низких значений емкости есть свои плюсы и минусы: вам нужно будет решить, какое значение лучше всего подходит для вашего предполагаемого применения. С этой целью давайте кратко рассмотрим оба набора преимуществ.

Как мы уже говорили в предыдущей статье, тип конденсатора влияет на значение емкости. В некотором смысле значение емкости также помогает определить тип конденсатора: например, выбор высокой выходной емкости практически исключает использование керамического конденсатора. Поскольку керамические конденсаторы имеют низкое значение ESR и, как правило, предпочтительнее для цепей SMPS, возможно, стоит выбрать более низкое значение емкости, чтобы воспользоваться преимуществами этой технологии.

Меньшие по размеру корпуса керамических конденсаторов имеют меньшую индуктивность и, следовательно, более эффективны на высоких частотах; кроме того, требование более низкой выходной емкости обычно приводит к использованию менее дорогого и менее громоздкого конденсатора.

Наконец, поддержание низкой выходной емкости позволяет избежать проблемы чрезмерной выходной емкости, которая может привести к тому, что стабилизатор будет потреблять такой большой ток при запуске, что он перейдет в режим защиты от перегрузки по току.

В электролитических конденсаторах ESR имеет тенденцию уменьшаться по мере увеличения емкости. Кроме того (и независимо от типа конденсатора), величина выходных пульсаций обратно пропорциональна выходной емкости: больше COUT означает меньше ΔVOUT.

Имейте в виду, что пульсация выходного сигнала является важным фактором. Пульсации выходного напряжения являются одним из основных недостатков импульсных источников питания по сравнению с линейными стабилизаторами. В некоторых приложениях важной целью проектирования является минимизация пульсаций выходного сигнала.

Если вы имеете в виду максимальную выходную пульсацию, вы можете использовать ее в качестве основы для выбора значения емкости. Вот формула:

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

Давайте представим, что мы используем эту формулу для выбора начального значения COUT, и что у нас еще нет смоделированного значения пульсаций тока дросселя (ΔIL). В этом случае мы можем использовать правило 30%, которое мы впервые увидели в статье о выборе значения индуктивности: мы стремимся к тому, чтобы размах пульсаций тока дросселя составлял 30% от ожидаемого выходного тока, т. е. ΔIL = 0,30 × 70 мА = 21 мА.

Мы уже выбрали частоту переключения (fS) 1,5 МГц. Теперь нам просто нужно выбрать спецификацию для ΔVOUT.

Хотя приведенная выше формула подразумевает, что вы можете просто добавлять выходную емкость до тех пор, пока пульсации не исчезнут, в реальной жизни существуют практические ограничения. Например, LTM4702 от Analog Devices входит в линейку малошумящих импульсных регуляторов Silent Switcher. Люди, разработавшие этот компонент, знают гораздо больше об оптимизации производительности коммутатора, чем я когда-либо буду знать, и тем не менее типичная выходная пульсация LTM4702 составляет 8 мВ (и это при выходной емкости 200 мкФ).

К счастью, хотя трудно определить, насколько низкими должны быть пульсации для конкретного приложения, по моему опыту, низковольтные схемы (даже аналоговые схемы) достаточно устойчивы к помехам в линии электропередачи (не будем забывать, что каждая микросхема уже имеет собственный байпасный конденсатор).

Я думаю, что ΔVOUT = 20 мВ — это достижимая цель, поэтому мы будем использовать ее в качестве отправной точки. Если провести расчеты при ΔVOUT = 20 мВ, получим следующее:

$$C_{OUT}=\frac{.021\ A}{8\times 1500000\ Hz\times .020\ V}=87.5\ nF$$

Теперь вернемся к схеме LTspice и изменим значение C1 на 87,5 нФ. На рисунке 2 показан график VOUT:

Как вы можете видеть в поле курсора, размах напряжения VOUT довольно близок к нашему теоретическому значению 20 мВ.