Auswahl von Ausgangskondensatoren für Stromversorgungs-Anwendungen
6. Dezember 2022 von Bruce Rose – Lesezeit: 10 Minuten
Eine einfache Darstellung der Stromversorgung
Bei fast allen Stromversorgungsanwendungen gibt es Kondensatoren am Ausgang des Netzteils, die sich an der Last befinden. Eine Frage, die den Anbietern von Netzteilen häufig gestellt wird, lautet: „Warum werden die Ausgangskondensatoren eines Netzteils benötigt und wie werden die Kondensatoren ausgewählt?“ In dieser Diskussion werden wir beide Teile dieser Frage behandeln.
Eine einfache Darstellung eines Stromversorgungssystems ist ein Netzteil und eine Last mit einigen Leitern, die den Ausgang des Netzteils mit der Last verbinden. In den meisten Anwendungen ist das, was als „Stromversorgung“ bezeichnet wird, eine Spannungsversorgung, d. h., die Versorgung liefert eine konstante Spannung an die Last bis zu ihrer maximalen Nennleistung. Nachdem wir nun den Unterschied zwischen einer Spannungsversorgung und einer Stromversorgung erörtert haben, werden wir die Begriffe in dieser Diskussion austauschbar verwenden, jedoch mit dem Verständnis, dass es sich bei der Versorgung, über die wir sprechen, um eine Spannungsversorgung handelt.
Bei näherer Betrachtung kann man erkennen, dass das Netzteil versucht, eine konstante Spannung an die Last zu liefern, aber wenn sich der Laststrom ändert, ändert sich auch die an die Last gelieferte Spannung. Die Änderungen der an die Last abgegebenen Spannung ergeben sich sowohl aus Änderungen der Ausgangsspannung direkt am Netzteil als auch aus dem Spannungsabfall entlang der Leiter, die das Netzteil mit der Last verbinden.
Quellen von Spannungsabweichungen
In vielen Designs werden die primären Änderungen der Ausgangsspannung des Netzteils aufgrund von Änderungen des Laststroms durch die Bandbreite des Netzteils und die parasitären Impedanzen der Leiter zwischen dem Netzteil und der Last verursacht. Wir werden diese Eigenschaften kurz besprechen, bevor wir uns ansehen, wie Bypass-Kondensatoren verwendet werden können, um die Eigenschaften zu kompensieren.
Netzteilbandbreite
Bei der Konstruktion von Netzteilen wird die tatsächliche Ausgangsspannung des Netzteils mit einer internen Referenzspannung des Netzteils verglichen und dann die befohlene Ausgangsspannung so eingestellt, dass die Differenz zwischen der tatsächlichen Spannung und der gewünschten Spannung minimiert wird.
Da es sich bei der Topologie der Stromversorgung um eine Rückkopplungsschleife handelt, gibt es eine Bandbreite, die mit der Reaktion der Stromversorgung verbunden ist und von den Parametern des Systems abhängt. Die meisten Netzteile sind Schaltnetzteile und die Bandbreite ist daher auf etwa ein Zehntel bis ein Viertel der Schaltfrequenz begrenzt. Unter der Annahme, dass die Schaltfrequenz bei den meisten Schaltnetzteilen zwischen etwa 30 kHz und 300 kHz liegt, liegt die Bandbreite somit zwischen 3 kHz (30 kHz/10) und 75 kHz (300 kHz/4). Für diese Diskussion gehen wir von einer 10-kHz-Bandbreite für die Stromversorgung aus.
Die Anstiegszeit von 10 % ~ 90 % eines einpoligen Systems kann annäherungsweise mit Tr = 0,35/BW angegeben werden (Tr ist die Anstiegszeit von 10~90 % des Systems in Sekunden und BW ist die Bandbreite des Systems in Hertz). Ein System mit einer 10-kHz-Bandbreite weist also eine Anstiegszeit von 35 μs (Tr = 0,35/104 = 35 μs) auf. Die Anstiegszeit der Stromversorgung kann als ein Näherungswert dafür angesehen werden, wie lange es dauert, bis die Stromversorgung auf einen Lastsprungstrom reagiert. Wenn der Lastsprungstrom ansteigt, sinkt die Spannung an der Last, während die Stromversorgung reagiert, um den neuen Laststrombedarf zu decken. Wenn der Lastsprungstrom sinkt, steigt die Spannung an der Last sprunghaft an, während die Stromversorgung reagiert, um den neuen Laststrombedarf zu decken.
Kondensatoren an der Last können als Ladungsspeicher dienen, um die Differenz zwischen dem Laststrom und dem von der Spannungsquelle gelieferten Strom zu puffern. Wenn wir zu den Anfängen der Elektronik zurückgehen, erinnern wir uns an Gleichung 1, die die Beziehung zwischen Strom, Kapazität und Spannungsänderungen über die Zeit zeigt. Diese Gleichung kann auch umgestellt werden, um die durch eine Stromänderung verursachte Spannungsabweichung zu ermitteln, wenn die Kapazität bekannt ist, oder die Kapazität, die zur Begrenzung der durch eine Stromänderung verursachten Spannungsabweichung erforderlich ist.
Wenn zum Beispiel bei einer Bandbreite von 10 kHz die Ausgangsspannung innerhalb von 120 mV des Nennausgangs gehalten werden muss und die Änderung des Ausgangsstroms 2 A beträgt, dann wäre die erforderliche Mindestkapazität an der Last 583 µF.
Parasitäre Impedanzen des Stromleiters
In Verbindung mit den Leitern zwischen der Stromversorgung und der Last treten parasitäre Widerstände und Induktivitäten auf, die in Abbildung 3 dargestellt sind. Der parasitäre Widerstand und die Induktivität führen dazu, dass die an die Last gelieferte Spannung bei Änderungen des Laststroms variiert. Die an der Last anliegende Spannung (Vload) ist die Versorgungsspannung (Vsupply), reduziert um den parasitären Widerstand (Rp), multipliziert mit dem Laststrom (I) und reduziert um die parasitäre Induktivität (Lp), multipliziert mit der zeitlichen Änderung des Laststroms (dI/dt), wie in Gleichung 3 dargestellt.
Die schlechte Nachricht ist, dass die durch eine Lasttransiente verursachten Spannungsausschläge und die parasitäre Impedanz der Stromversorgungsleiter schwer zu berechnen sind, da sie sowohl von der Änderung des Laststroms als auch von der Änderungsrate des Laststroms abhängen. Die gute Nachricht ist, dass es relativ einfach ist, Stromversorgungsleiter mit geringem parasitärem Widerstand und geringer Induktivität zu spezifizieren. Ein geringer parasitärer Widerstand kann durch die Verwendung großflächiger Leiter, wie Drähte mit großem Durchmesser oder breite Leiterbahnen, erreicht werden. Eine niedrige parasitäre Induktivität kann durch einen kleinen Schleifenbereich zwischen den beiden Stromleitern erreicht werden. Gängige Methoden zur Minimierung des Schleifenbereichs zwischen Leitern, wie in Abbildung 4 dargestellt, sind die Verlegung von Kabeln in einem engen Bündel, die Verdrillung von zwei Leitern umeinander, die Verlegung von Leiterbahnen nahe beieinander und die Verlegung einer Leiterbahn über einer Grundplatte.
Kondensator-Typen
In den vorangegangenen Abschnitten wurde erörtert, wie man festlegt, wie viel Kapazität an der Last platziert werden muss, um Spannungsausschläge auf ein bestimmtes Niveau zu reduzieren. Doch es gibt auch Bedenken, welche Arten von Kondensatoren an der Last platziert werden sollten. Eines der ersten Kriterien für die Auswahl der Kondensatoren sollte wahrscheinlich sein, wie viel Kapazität benötigt wird. Wenn die benötigte Kapazität größer als ein oder zehn Mikrofarad ist, können entweder Tantal- oder Elektrolytkondensatoren die bevorzugte Kondensatortechnologie sein. Mit diesen Technologien hergestellte Kondensatoren sind relativ kompakt und erschwinglich. Wenn Sie Kondensatoren mit weniger als zehn Mikrofarad benötigen, sind Keramikkondensatoren oft die bevorzugte Wahl, da sie in diesen Größen kompakter und kostengünstiger sind. Es ist zu beachten, dass sich der Kapazitätswert vieler Keramikkondensatoren stark verringert, wenn eine Gleichspannung angelegt wird, die nahe an der Nennspannung des Kondensators liegt. Eine Internetsuche zu diesem Thema liefert weitere Informationen.
Parasitäre Elemente in Kondensatoren
Neben der Größe und den Kosten können auch die Werte der parasitären Induktivität und des Widerstands in einem Kondensator die Auswahl der Technologie für Kondensatoren beeinflussen. Die internen Leiter in einem Kondensator haben einen entsprechenden Widerstand und eine Induktivität, die die Leistung des Kondensators beeinflussen.
Ein einfaches Diagramm der Impedanz des Kondensatormodells zeigt ein Verhalten, das bei niedrigeren Frequenzen vom Kondensatorwert dominiert wird, bei höheren Frequenzen von der ESL dominiert wird und in der Nähe der Resonanzfrequenz der C- und ESL-Werte vom ESR-Wert dominiert wird (Abbildung 5). Aus der Betrachtung des Impedanzdiagramms sollte ersichtlich sein, dass der Wert der erforderlichen Kapazität zwar bereits erörtert wurde, die ESL und der ESR jedoch die Wirksamkeit der Kapazität bei höheren Frequenzen bestimmen.
Kondensatoren parallel schalten
Aufgrund der Art ihrer Konstruktion haben Elektrolytkondensatoren tendenziell höhere ESL- und ESR-Werte, Tantalkondensatoren niedrigere ESL- und ESR-Werte und Keramikkondensatoren die niedrigsten ESL- und ESR-Werte. Wenn Sie Kondensatoren parallel schalten, erhöhen Sie den C-Wert und verringern die ESL- und ESR-Werte. Die Verwendung von Kondensatoren unterschiedlicher Bauart, die parallel zueinander geschaltet werden, verringert die Impedanz und sorgt für eine breitere Streuung der Impedanzeffekte im Frequenzbereich.
Die Parallelschaltung von Keramikkondensatoren mit kleineren Werten mit Elektrolytkondensatoren mit größeren Werten ist effektiv, da die Elektrolytkondensatoren die Probleme mit höherer Energie und niedrigeren Frequenzen lösen, während die Keramikkondensatoren die Transienten mit höheren Frequenzen lösen. Der Wert der Keramikkondensatoren kann viel geringer sein als der der Elektrolytkondensatoren, da die Energie in den Transienten bei höheren Frequenzen viel geringer ist als bei den niedrigen Frequenzen.
Zweck und Auswahl von Kondensatoren
Auf der Grundlage unserer Diskussion sollte nun klar sein, dass Kondensatoren häufig zwischen den Stromversorgungsanschlüssen und der Last platziert werden, um die durch Laststromtransienten und die endliche Bandbreite des Netzteils verursachten Spannungsausschläge zu reduzieren. Der Wert und der Typ des verwendeten Kondensators hängen von der Bandbreite des Netzteils, der Größe der Lasttransienten, den Frequenzkomponenten der Lasttransienten und dem akzeptablen Grad der durch die Lasttransienten verursachten Spannungsausschläge ab. Weitere Einzelheiten und Unterstützung zu diesen Problemen erhalten Sie, wenn Sie sich an das technische Support-Team des Anbieters von Netzteilen wenden, wie z. B. CUI.
Grundlagen, Produktauswahl, Tests und Fehleranalyse
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Bruce Rose
Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.