Die Grenzen der Ausgangskapazität von Stromversorgungen verstehen
20. Juni 2023 von Bruce Rose – Lesezeit: 5 Minuten
In früheren Blogbeiträgen haben wir die internen Komponenten von Schaltnetzteilen („Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen, Block für Block“) und die Eigenschaften von Ausgangsfilterkondensatoren beschrieben, die zur Filterung verwendet werden („Auswahl von Ausgangskondensatoren für Stromversorgungs-Anwendungen“). In diesen Artikeln wurde jedoch nicht erklärt, warum viele Netzteile einen bestimmten Höchstwert für die Kapazität haben, die der Benutzer am Ausgang eines Netzteils anlegen darf. In dem vorliegenden Artikel werden wir uns mit den elektrischen Prinzipien von Kondensatoren befassen, um zu verstehen, warum es bei der Platzierung von Kondensatoren am Ausgang eines Netzteils nicht heißen kann: „Wenn einige gut sind, dann müssen mehr besser sein.“
Was ist der Zweck der Ausgangskapazität?
Wie bei den meisten Designaufgaben gibt es mehrere Einschränkungen, die die am Ausgang eines Netzteils verwendete Kapazität beeinflussen. Ein Zweck von Kondensatoren am Ausgang eines Netzteils besteht darin, unerwünschtes elektrisches Rauschen zu dämpfen, wenn der Strom an die externe Last abgegeben wird. Ein weiterer Zweck von Kondensatoren am Ausgang eines Netzteils ist es, die Änderung der Ausgangsspannung beim Auftreten von Laststromtransienten zu minimieren.
Wenn die Dämpfung von Rauschen und die Minimierung von Ausgangsspannungsschwankungen die einzigen Überlegungen sind, die bei der Auswahl der Kapazität am Ausgang eines Netzteils eine Rolle spielen, dann ist eine höhere Kapazität möglicherweise besser. Leider können andere Eigenschaften von Netzteilen negativ beeinflusst werden, wenn die Kapazität am Ausgang der Netzteile erhöht wird.
Auswirkungen einer erhöhten Ausgangskapazität
Eine der Eigenschaften von Netzteilen, die durch eine erhöhte Kapazität am Ausgang des Netzteils beeinträchtigt wird, ist die Funktion des Ausgangsüberstromschutzes (Overcurrent Protection, OCP). Die OCP-Funktion ist in Netzteilen enthalten, um die Netzteile vor Schäden zu schützen, wenn der Laststrom zu hoch ist. Wenn die Ausgangsspannung während des Anlaufs ansteigt, können Netzteile übermäßig hohe Ausgangsströme benötigen, sofern die Kapazität am Ausgang groß genug ist.
Die Wechselwirkung zwischen der Kapazität am Ausgang eines Netzteils und der Anlaufspannungsrampe lässt sich am besten verstehen, wenn man sich die grundlegenden elektrischen Prinzipien von Kondensatoren vor Augen führt. Eine grundlegende Beschreibung der Eigenschaften eines Kondensators finden Sie in Gleichung 1.
Der Strom (I) in einen (oder aus einem) Kondensator ist gleich dem Wert der Kapazität (C) mal der Änderung der Spannung am Kondensator (dV) geteilt durch die Zeitänderung (dt), während der die Spannungsänderung auftritt. Aus der Gleichung geht hervor, dass der mit dem Kondensator verbundene Strom mit zunehmendem Wert der Kapazität steigt, die Spannungsänderung zunimmt und die mit der Spannungsänderung verbundene Zeit abnimmt. Erinnern Sie sich auch daran, dass Netzteile eine Rückkopplung in der Topologie der Ausgangsspannungssteuerung verwenden, um eine präzise Ausgangsspannung zu erzeugen. Es wird deutlich, dass die Ausgangsspannung aufgrund der endlichen Bandbreite des Regelkreises mit einer Zeitverzögerung reagiert, wenn eine Laststromtransiente auftritt.
Die Ausgangsspannung der Stromversorgung kann während der Zeit, bevor der Regelkreis reagieren kann, stabilisiert werden, indem der transiente Laststrom während der Verzögerungszeit durch eine Kapazität kompensiert wird. Ein größerer Kapazitätswert sorgt für eine bessere Stabilisierung der Ausgangsspannung, die durch die Transiente des Ausgangslaststroms verursacht wird. Auch in Bezug auf die Ausgangskapazität erscheint die Änderung der Ausgangsspannung während des Starts eines Netzteils als dV/dt-Ereignis an den Anschlüssen des Kondensators und verursacht somit einen Stromfluss in den Kondensator. Der Strom, der benötigt wird, um die Kapazität am Ausgang eines Netzteils während des Hochfahrens der Ausgangsspannung aufzuladen, muss aus dem Netzteil kommen.
Anwendungsbeispiel
Eine einfache Beispielschaltung kann analysiert werden, um ein Verständnis für die mit einer Stromversorgung verbundenen Kapazitäts-, Spannungs- und Stromwerte zu gewinnen. Wir analysieren eine Schaltnetzteil mit folgenden Eigenschaften und Designzielen:
- Schaltfrequenz: 100 kHz
- Bandbreite des Regelkreises der Stromversorgung: 10 kHz
- Ausgangsspannung des Netzteils: 12 V
- Ausgangsstrom des Netzteils: 500 mA
- Spannungstransient für 25~75 % Laststromschritt: 120 mV
- Anstiegszeit beim Start: 10 ms
Wenn wir von einer Versorgung ausgehen, die mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz arbeitet, dann ist es vernünftig, für das Rückkopplungsnetzwerk der Versorgung eine geschlossene Bandbreite von 10 kHz anzunehmen (Schleifenbandbreite auf 1/10 der Schaltfrequenz eingestellt). Ein einpoliges Netzwerk mit einer Bandbreite von 10 kHz hat eine Anstiegszeit von 10 % auf 90 % von etwa 35 µs (Tr = 0,35/BW). Wenn wir bereit sind, eine 120-mV-Transiente in der Ausgangsspannung unseres Netzteils zu haben, bevor das Rückkopplungsnetzwerk greift, dann benötigen wir etwa 73 µF Kapazität am Ausgang des Netzteils für eine 250-mA-Transiente. Während des Starts muss diese Versorgung nur einen Strom von 90 mA liefern, um den Ausgangskondensator zu laden.
Diese Höhe des Ausgangsstroms wird kein Problem darstellen. Wenn der Benutzer jedoch beschließt, eine Ausgangskapazität von 450 µF zu platzieren, um nur eine Spannungsabweichung von 20 mV während der Laststromtransiente zu haben, dann wird der Strom, der zum Laden der Ausgangskapazität erforderlich ist, hoch sein und das Netzteil kann während des Starts in den OCP-Modus übergehen.
Überstromfehler während des Starts
Die meisten Schaltnetzteile verwenden den Hiccup-Modus für das OCP-Implementierungsschema. Der Hiccup-Modus wird verwendet, weil er einfach in den Spannungsregler-IC integriert werden kann und die Belastung der Stromversorgungskomponenten bei Überstromereignissen am Ausgang reduziert. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung des Hiccup-Modus für OCP ist, dass Größe, Gewicht und Kosten der Netzteile reduziert werden können. Wie bereits erwähnt, kann das Netzteil in den OCP-Modus übergehen, wenn der Laststrom, der zum Laden der Kapazität am Ausgang des Netzteils während des Starts erforderlich ist, größer ist als der Nennausgangsstrom des Netzteils.
Wenn das Netzteil während des Starts in den OCP-Modus wechselt, ist es möglich, dass die Ausgangsspannung des Netzteils treppenförmig ansteigt und die gewünschte Ausgangsspannung korrekt erreicht (siehe Abbildung 3). Es ist auch möglich, dass die Ausgangskapazität im OCP-Modus aufgrund von Leckagen oder anderen Stromaufnahmen während der Startphase nie den gewünschten Wert erreicht. Der Betrieb im OCP-Modus ist ein anormaler Zustand. Daher geben die Entwickler von Netzteilen häufig eine maximale Lastkapazität an, die am Ausgang des Netzteils platziert werden muss, damit das Netzteil nicht absichtlich im OCP-Modus betrieben wird. Bitte lesen Sie diesen Webartikel („Grundlagen des Überstromschutzes für Stromversorgungen“) für eine ausführlichere Beschreibung von OCP in Stromversorgungen.
Verbesserung des Einschwingverhaltens mit externem Linearregler
In einigen Anwendungen kann der Produktdesigner einen Low-Drop-Out-Linearregler (LDO) zwischen dem Ausgang des Schaltnetzteils und der Last platzieren, um Ausgangsspannungstransienten aufgrund von Ausgangslaststromtransienten und Stromversorgungsrauschen zu reduzieren. Ein LDO kann mit einer höheren Closed-Loop-Bandbreite als der Schaltregler gewählt werden, sodass die Ausgangskapazität für dieselbe Systemleistung nicht so groß sein muss.
Fragen Sie die Stromversorgungsexperten
In dieser Präsentation haben wir erörtert, wie ein Designer die Kapazität am Ausgang eines Netzteils auswählen kann und wie sich diese Entscheidung auf das Netzteil im Anlaufmodus auswirken kann. CUI empfiehlt, dass Benutzer, die sich dafür entscheiden, ihr Produkt so zu konstruieren, dass das Netzteil während des Starts absichtlich in den OCP-Modus wechselt, sich der Risiken bewusst sind und sicherstellen, dass ihr Produkt in akzeptabler Weise funktioniert. Die Experten und Ingenieure von CUI können Ihnen dabei helfen, das Verhalten und die Auswirkungen einer zu hohen Ausgangskapazität in Ihrer Anwendung zu verstehen, und Ihnen eine optimale Lösung aufzeigen.
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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.