Auswahl des richtigen Ausgangskondensatortyps für einen Schaltregler

Aug 18, 2023

Frühere Artikel dieser Reihe untersuchten das elektrische Verhalten von Abwärtsschaltreglern, lieferten Hinweise zur anfänglichen Induktordimensionierung und diskutierten die Feinabstimmung von Induktorstrom und Induktivität. Mithilfe von LTspice-Simulationen und dem folgenden Schema (Abbildung 1) untersuchen wir nun die Beziehung zwischen den Kondensatoreigenschaften und der Leistung von Schaltmodus-Abwärtswandlern.

Die Induktivität in einem Schaltregler ermöglicht das Ein-/Ausschalten, um eine ansteigende/abfallende Stromwellenform zu erzeugen. Wir benötigen jedoch eine Ausgangskapazität, um Ladung so zu speichern und abzugeben, dass der in die Last fließende Strom und die Spannung an der Last trotz der (möglicherweise recht großen) Schwankungen des Induktorstroms stabil bleiben. Das Diagramm unten (Abbildung 2) zeigt, was passiert, wenn ich den Ausgangskondensator praktisch eliminiere, indem ich einen sehr kleinen Wert für C1 verwende.

Wir sehen also, dass der Ausgangskondensator in einem Schaltregler eine entscheidende Filterfunktion erfüllt. Daher sollte diese Komponente sorgfältig ausgewählt werden, wobei sowohl auf die Art des Kondensators als auch auf seinen Kapazitätswert zu achten ist. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den Kondensatortyp. Im nächsten Abschnitt besprechen wir den Wert.

Die drei Kondensatortechnologien, die in elektronischen Niederspannungsgeräten am häufigsten verwendet werden, sind Keramik (auch bekannt als MLCC, was mehrschichtiger Keramikkondensator bedeutet), Aluminium-Elektrolytkondensator und Tantal. Nachfolgend habe ich die Vor- und Nachteile der einzelnen Netzteile zusammengefasst, wobei der Schwerpunkt auf den Eigenschaften liegt, die für Schaltnetzteile relevant sind. Bitte bedenken Sie, dass es sich hierbei um Verallgemeinerungen handelt und dass Verallgemeinerungen naturgemäß ein gewisses Maß an Genauigkeit zugunsten der Kürze und Einfachheit opfern.

Der Trend bei der Entwicklung von Schaltreglern geht zu höheren Schaltfrequenzen, die eine geringere Ausgangskapazität ermöglichen. Dies macht Keramik zu einer praktikableren Wahl für Ausgangskondensatoren; Für diejenigen, die weitere Informationen zu diesem Thema wünschen, ist möglicherweise mein Leitfaden zu Keramikkondensatortypen von Interesse.

Insgesamt finde ich Keramikkondensatoren am nützlichsten. Ich ziehe Aluminium-Elektrolyt oder Tantal nur in Betracht, wenn es einen zwingenden Grund gibt, Keramik zu meiden.

Welche Eigenschaft den größten Einfluss auf Ihre Wahl des Ausgangskondensatortyps hat, hängt zumindest teilweise von Ihren Prioritäten ab. Wenn Sie sich jedoch auf die elektrische Leistung konzentrieren, ist der äquivalente Serienwiderstand (ESR) wahrscheinlich der wichtigste zu berücksichtigende Faktor.

Bei Schaltwandlerschaltungen ist ein niedrigerer ESR normalerweise besser. Ein höherer ESR führt zu einer höheren Welligkeit der Ausgangsspannung und einem geringeren Wirkungsgrad; Dies kann sich auch negativ auf die Stabilität des Regelkreises auswirken, den der Regler zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Ausgangsspannung verwendet. Theoretisch könnte der Regelkreis eines Umschalters jedoch unter Berücksichtigung von Kondensatoren mit höherem ESR entworfen werden, sodass wir nicht sagen können, dass ein niedrigerer ESR immer besser für die Stabilität ist. Eine wichtige Tatsache, die es zu beachten gilt, ist, dass der ESR des Kondensators über die Frequenz hinweg nicht konstant ist. Sie müssen einen ESR-Wert verwenden, der der Betriebsfrequenz Ihrer Schaltung entspricht.

Wenn Sie einen handelsüblichen Umschalter verwenden, enthält das Datenblatt hoffentlich Beispiel-Teilenummern für Kondensatoren oder einen empfohlenen ESR-Bereich. Simulationen können auch bei der Identifizierung erfolgreicher Kondensatorparameter hilfreich sein, insbesondere wenn die Datenblattanleitung begrenzt oder nicht verfügbar ist. Sie können ESR zu einem idealen Kondensator hinzufügen, um die Simulationen besser mit dem realen elektrischen Verhalten in Einklang zu bringen.

Ein umfassenderes Modell für einen realen Kondensator umfasst sowohl ESR als auch äquivalente Serieninduktivität (ESL). Mehr über ESR und ESL können Sie in Teil 2 meiner Serie über Bypass-Kondensatoren lesen.

Das folgende Diagramm (Abbildung 3) zeigt die Ausgangswelligkeit für die in Abbildung 1 gezeigte Umschaltschaltung mit einem idealisierten Ausgangskondensator (ESR = 0 Ω, ESL = 0 H).

Lassen Sie uns nun den Ausgangskondensator so modifizieren, dass sein Verhalten dem eines 0805-Keramikkondensators besser entspricht. Wir stellen den äquivalenten Serienwiderstand auf 10 mΩ ein, was für einen Keramikkondensator bei der Betriebsfrequenz unseres Umschalters von 1,5 MHz ein angemessener Wert ist. Die neue VOUT-Kurve ist unten in Abbildung 4 dargestellt, mit identischen Einstellungen für die vertikale und horizontale Achse, um einen direkten visuellen Vergleich zu erleichtern.

Hier gibt es keinen signifikanten Unterschied, was eine gute Nachricht ist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass ein hochwertiger Keramikkondensator unsere Ausgangsspannung nicht ernsthaft beeinträchtigt.

Erhöhen wir nun den ESR auf 400 mΩ, das ist die Art von Widerstand, die wir bei einem Elektrolyt- oder Tantalkondensator haben könnten, der mit 1,5 MHz arbeitet. Abbildung 5 veranschaulicht die Ergebnisse:

Es gibt einen deutlichen Anstieg der Ausgangswelligkeit, aber nichts Katastrophales.

Wenn Sie eine katastrophale Verschlechterung anstreben, können Sie dies durch den Einsatz eines Elektrolytkondensators in Anwendungen erreichen, die bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden müssen. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel dafür, wie stark der ESR einer Elektrolytkappe ansteigt, wenn die Temperatur unter Raumtemperatur sinkt.

Daher könnte ein Elektrolyt-Ausgangskondensator, der bei 20 °C eine akzeptable Welligkeits- oder Stabilitätsleistung bietet, bei –30 °C völlig inakzeptabel sein. Wenn Sie eine Anwendung haben, bei der dieses Verhalten bei niedrigen Temperaturen problematisch ist, aber nicht ausreicht, um vollständig auf den Elektrolytkondensator zu verzichten, können Sie die Situation verbessern, indem Sie parallel zum Elektrolytkondensator einen Keramikkondensator hinzufügen.

Wir haben die Eigenschaften gängiger Kondensatortypen und ihren Einfluss auf die Leistung von Schaltreglern besprochen. Im nächsten Artikel konzentrieren wir uns auf die Berechnung der Ausgangskapazität und darauf, wie Sie den richtigen Kapazitätswert für Ihre Anforderungen auswählen.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Robert Keim