Buck/Boost-Netzteil: Was passiert, wenn wir eine viel größere Bulk-Kapazität verwenden (dh 10x)?

Wenn wir einen Buck/Boost-Wandler nehmen, von dem bekannt ist, dass er korrekt funktioniert, aber die Bulk-Kapazität um das 10-fache erhöhen, was können wir elektrisch erwarten?

Hintergrund: Ich habe das unten stehende Design aus dem WEBENCH-Tool von TI übernommen. Eingang: 10-14 V, Ausgang 12 V @ 8 A. Die gesamte Eingangskapazität beträgt 68 uF (CBulk, Aluminium) + 3*15 uF (Cin, Keramik) = 113 uF.Referenzdesign

Nachdem ich es auf einem Brett aufgebaut hatte, stellte ich fest, dass es gelegentlich einige ernsthafte Instabilitäten gab; insbesondere bei höheren Lasten oder wenn sich der Laststrom plötzlich ändert. Nach viel Debugging wurde mir schließlich klar, dass ein größerer Bulk-Kondensator (1000 uF = 1 mF) stromaufwärts die Ursache war. Nach dem Entfernen funktionierte das Netzteil wie vorgesehen. In Wirklichkeit war meine Eingabestufe:

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Jetzt funktioniert alles, aber ich würde es gerne besser verstehen, bevor ich fortfahre:

  1. Warum hat der große Bulk-Kondensator die Instabilität im Ausgang verursacht?
  2. Wie können wir die Größenbeschränkung für Bulk-Kondensatoren berechnen?
  3. Ist die Begrenzung der Bulk-Kondensatorgröße eine Funktion der Ausgangskondensatoren?
Wenig. Was jedoch den Eingang speist und wie dieser Teil mit dem erhöhten Einschaltstrom fertig wird, das ist die Frage.
Ich bin etwas überrascht darüber, aber ich denke, es ist nicht ganz unerwartet. Eine Schaltversorgung hat an ihrem Eingang notwendigerweise einen negativen Thevanin-Äquivalentwiderstand. Zeichnen Sie einfach den Strom gegen die Spannung für alles, was konstant Strom verbraucht – es wird Sie anspringen. Sie können also nicht ganz unbekümmert sein, wenn Sie einen an eine Last anschließen.
Alle Wetten sind offen und seltsame Dinge können passieren, wenn Ihr tatsächliches PCB-Layout nicht der Board-Vorlage des Herstellers entspricht. Wenn Sie, Gott bewahre, ein Steckbrett benutzen, dann vergessen Sie es einfach.
Sind Sie sicher, dass die Instabilitäten auf Ihrer Versorgung und nicht auf der Primärquelle liegen? Was liefert Vin? 1 mF wäre eine ziemlich große Last für einen Umschalter.
"In Wirklichkeit war meine Eingangsstufe: ..." - verwenden Sie wirklich einen IRF9530, um mehr als 8 Ampere zu schalten? Was genau ist die Stromquelle?
@Ale..chenski Das Netzteil ist so gut wie möglich auf das Referenzdesign abgestimmt ... abgesehen vom zusätzlichen 1000-uF-Bulk-Kondensator, der sich in der Nähe des Eingangs zur Leiterplatte befindet (ungefähr 3 Zoll entfernt).
@EdgarBrown, das ist eine gute Frage und etwas, das weiter untersucht werden sollte ... Ich habe 2 Netzteile ausprobiert, ein 1300-W-Computernetzteil und ein 180-W-Gleichstrom-Tischnetzteil.
@BruceAbbott behoben; mit einem DMP3010 PMOS.
@ Jim, die Benchtop-Versorgung ist sehr wahrscheinlich linear und für beträchtliche Lasten ausgelegt. Es ist unwahrscheinlich, dass es die Ursache ist.
Könnten Sie die Spezifikationen / das Datenblatt für die Bulk-Kappe hinzufügen, die die Schwingungen verursacht hat?

Antworten (1)

Das Problem ist wahrscheinlich nicht der Kondensatorwert selbst, sondern eher seine Parasiten, die mit der negativen Impedanz des Schaltwandlers interagieren. Genauer gesagt erzeugt die kondensatoräquivalente Serieninduktivität eine Niederfrequenzresonanz, die durch die Transienten angeregt und durch das SPS verstärkt wird.

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator hat relativ hohe Werte des Serienwiderstands (was in diesem Fall widersinnig gut ist) und der Induktivität. Ein 1-mF-Aluminium-Elektrolyt kann in der Größenordnung von 5 nH ESL (und 20 mΩ ESR) haben, was in Kombination mit seiner Kapazität eine Reihen-RLC erzeugt, die bei ~70 kHz schwingt. Eine Frequenz, die niedrig genug ist, um mit Ihrem SPS zu interagieren.

Bei einer Last von 60 W und einem Eingang von 12 V weist Ihr SPS einen (nichtlinearen) negativen Widerstand von etwa -400 mΩ auf. Dieser negative Widerstand ist erheblich größer als der Rest der dissipierenden Elemente in diesem Netz, die 10 mΩ des Durchgangstransistors und die 20 mΩ des ESR.

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Wie Sie herausgefunden haben, würde eine Reduzierung des Kondensators die Resonanzfrequenz erhöhen, die weniger wahrscheinlich mit dem SPS interagiert. Wenn Sie jedoch dieses Energiespeicherniveau benötigen, können Sie ein ähnliches Ergebnis erzielen, indem Sie mehrere Kondensatoren parallel verwenden und/oder Ferritperlen oder kleine Widerstände mit den richtigen Verlusteigenschaften hinzufügen.

Um absolut sicherzustellen, dass das Problem nicht erneut auftritt, müssten Sie jedoch die tatsächliche nichtlineare Impedanz des SPS modellieren, damit Sie ein besseres Gefühl dafür bekommen, welcher Wertebereich akzeptabel wäre (z. B. niedrigere Eingangsspannungen und höhere Ausgangsleistungen). verschlimmern das Problem).

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