Ausgangskondensatoren von DC-DC-Wandlern

Ich würde Tantal vermeiden, es sei denn, Sie haben keine andere Wahl; Eine ihrer häufigsten Ausfallarten ist, in Flammen aufzugehen.

Ich weiß nicht, wo Sie gelesen haben, dass Aluminiumelektrolyte im Vergleich zu Keramik einen guten ESR haben, aber das tun sie einfach nicht. Sie neigen dazu, einen der höchsten ESR aller Kondensatortypen zu haben. Selbst Aluminiumkappen mit niedrigem ESR können einen um mehrere Größenordnungen höheren ESR aufweisen als vergleichbare MLCCs oder Folienkondensatoren.

Für eine Anwendung wie diese würde ich einen MLCC verwenden, da der genaue Kapazitätswert keine Rolle spielt und nicht zu groß ist. 10-μF-MLCCs sind ziemlich billig. Wenn Sie jedoch viel mehr als das benötigen, ist Aluminium-Elektrolyse der richtige Weg.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass Sie einen sehr wichtigen Kondensatortyp übersehen haben: Folienkondensatoren. Folienkappen sind in der Regel mit größeren Kapazitäten als Keramik erhältlich, sind stabiler bei Temperatur und angelegter Spannung als High-κ-Keramik, sind in höheren Spannungs- und Temperaturwerten erhältlich als MLCCs oder Elektrolyte und haben einen vergleichbar niedrigen ESR wie Keramik. Es wäre den Preis nicht wert, nur einen Ausgangsfilterkondensator zu verwenden, aber wann immer Sie etwas Stabiles und Hochleistungsfähiges benötigen, ist Folie oft die beste Wahl.

Das Konzept einer Lastkappe für einen DCDC-Wandler hat zwei Faktoren. Vorwärtsverlust + Massenspeicherung und Auswirkungen auf die Rückkopplungsfehlerkorrektur. Die Kompromisse hängen von Lastbereich, Überschwingen und Welligkeitstoleranzen ab. Die Auswahl der Obergrenze wirkt sich auf ESR vs. Frequenz, Verluste vs. Größe, Qualität und ESR*C-Zeitkonstante aus.

Der ESR*C=tau bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung durch den Strom, den er verarbeiten kann, so dass der Ausgang dV/dt= I * (1/C + ESR) = (1+ESR * C)/C ist. E-Kappen mit niedrigem ESR haben einen Tau = <10 us, während Keramik << 1 us sein kann, aber aufgrund der Dielektrizitätskonstante k in C für die gleiche Gehäusegröße kleiner ist, sodass normalerweise sowohl Keramik als auch E-Kappen gewählt werden, es sei denn, Sie wählen viele Keramiken Kappen parallel.

Das andere Konzept besteht darin, dass die Bandbreite der Spannungsrückkopplung für die Fehlerkorrektur ebenfalls durch tau bestimmt wird und dies eine Phasenverschiebung einführen kann, die den Phasenspielraum in der Schleife reduziert, sodass eine partielle Ableitung oder Steigungskompensation erforderlich ist, um die Stabilität in der Schleife wiederherzustellen.

Das dritte Konzept ist die Effizienz der Speicherung und Verluste im ESR bei Lasten, die aus der Kappe als Zwischenspeicher ziehen, während der DCDC-Wandler versucht, die Kappen aufzuladen und gleichzeitig die Last zu versorgen, so dass der Spannungsfehler minimal ist wenn dann eine Stufenlast hinzugefügt oder entfernt wird und die Energie in der Kappe ausreicht, um die Spannung mit einem Stromhub zu puffern, so dass der DCDC-Treiber den Kondensator nicht aufgrund von Latenz oder Unter-/Überschätzung des Bedarfsstroms unter- oder überlädt und führen zu mehr Fehlern durch Verstärken des + oder - Fehlers in größerer als notwendiger Korrektur in die entgegengesetzte Richtung.

Letztendlich muss also die Verstärkung der Rückkopplungsschleife Kd, Kp untersucht werden und einen gewissen Kompromiss der Welligkeit der Ausgangsspannung bieten, um stabil zu bleiben, wenn sich die Ausgangskappen „innerhalb der Regelschleife“ befinden. Das Isolieren der Kappen mit einer Ferritperle außerhalb der Schleife muss auch das Q dieses Filters ohne Last untersuchen, wenn Q bei allen Filtern der LCR-Serie am höchsten ist.

Das Erreichen all dieser Kompromisse ist etwas komplex und für jedes Design unterschiedlich, aber das Verständnis dieser Kompromisse ist der Anfang hin zu intelligenten DCDC-Designs, indem die Impedanz zu reaktiven Komponenten und die Rückkopplung mit einem kurzgeschlossenen Ausgang oder einem nahezu kurzgeschlossenen Ausgang aufgrund des ESR untersucht wird der Kappen.

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• Tantal ist weniger günstig, aber einige teurere Typen können die Anforderungen erfüllen.

• Alaunkappen, die für Welligkeitsstrom bei 120 Hz ausgelegt sind, sind wahrscheinlich keine Typen mit niedrigem ESR bei 100 kHz. Diese haben typischerweise Tau > 100 us und werden als Bulk-Netzgleichrichterkappen verwendet.

Wie andere bereits sagten, sind die wichtigsten Designüberlegungen in Ihrer Frage nicht definiert.

• Wie hoch ist die Lebensdauer der Schaltung (Elektrolytkappen aus Aluminium werden häufig als "lebensdauerbegrenzende Komponente" verwendet, Keramik und Tantal haben eine viel höhere Lebensdauer).
• Welche Temperaturen erwarten Sie für Ihr Gerät (Aluminium-Elektrolyt mag keine hohen Temperaturen, Keramik kann einen massiven Temperatureinfluss haben, daher kann Tantal ins Bild kommen, wenn ein hoher Temperaturbereich benötigt wird).
• Ist es möglich, die Risiken von Tantal zu mindern (im Zweifelsfall nicht einmal in Betracht ziehen, Feuerwerk ist schön, aber Sie wollen es nicht unerwartet).
• Sind Kosten oder Größe ein Faktor? Höhere Qualität benötigt? Vibrations-/Schockanforderungen? Viele andere Faktoren, die Ihre Entscheidung beeinflussen können.

Keramik- und Elektrolytkappen haben ihre Vor- und Nachteile.

Elektrolytkappen haben einen höheren ESR als Keramikkappen, aber Sie erhalten Elektrolytkappen mit einer Tonne Kapazität. Sie eignen sich gut für die Massenlagerung.

Keramikkondensatoren haben einen sehr niedrigen ESR, aber keine große Kapazität (wie zum Beispiel 100 uF). Aufgrund ihres niedrigen ESR eignen sie sich gut zur Unterdrückung von Ausgangsrauschen.

Designer verwenden sowohl Keramik- als auch Elektrolytkondensatoren parallel, um die Vorteile beider Kondensatortypen nutzen zu können. Elektrolytkondensatoren haben eine große Kapazität und übernehmen die Massenspeicherung, während Keramikkondensatoren verwendet werden, um Rauschen am Ausgang zu unterdrücken.

Wenn Sie nur 10 uF Ausgangskapazität benötigen, verwenden Sie einfach nur Keramik. Sie können auch Tantalkondensatoren verwenden, aber es gibt einige Sicherheitsbedenken. Wenn Sie eine große Ausgangskapazität benötigen (z. B. 50 uF, 100 uF oder mehr), verwenden Sie Elektrolyt- und Keramikkondensatoren parallel.