Blog

Sep 24, 2023

Scelta dei valori di capacità per un passo

Nel mio ultimo articolo abbiamo discusso le caratteristiche chiave dei condensatori ceramici, elettrolitici in alluminio e al tantalio; abbiamo quindi studiato il ruolo della resistenza in serie equivalente del condensatore di uscita (ESR).

Nel mio ultimo articolo abbiamo discusso le caratteristiche chiave dei condensatori ceramici, elettrolitici in alluminio e al tantalio; abbiamo quindi studiato il ruolo della resistenza in serie equivalente del condensatore di uscita (ESR) nella progettazione di regolatori a commutazione. Considereremo ora i compromessi coinvolti nella selezione di un valore di capacità e lavoreremo attraverso un esempio di progettazione basato sull'ondulazione di uscita desiderata. Tutte le simulazioni LTspice utilizzeranno lo schema nella Figura 1, anche se il valore di C1 cambierà.

Sia i valori di capacità più alti che quelli più bassi hanno i loro pro e contro: dovrai decidere quale valore li bilancia meglio per l'applicazione prevista. A tal fine, esaminiamo brevemente entrambi i vantaggi.

Come accennato nell'articolo precedente, il tipo di condensatore influisce sul valore della capacità. In un certo senso, il valore della capacità aiuta anche a determinare il tipo di condensatore: ad esempio, la scelta di una capacità di uscita elevata esclude del tutto l'utilizzo di un condensatore ceramico. Poiché i condensatori ceramici offrono una bassa ESR e sono generalmente preferibili per i circuiti SMPS, potrebbe valere la pena scegliere un valore di capacità inferiore per sfruttare questa tecnologia.

I pacchetti di condensatori ceramici più piccoli hanno un'induttanza inferiore e di conseguenza sono più efficaci alle alte frequenze; inoltre, il requisito di una capacità di uscita inferiore si traduce generalmente in un condensatore meno costoso e meno ingombrante.

Infine, mantenendo bassa la capacità di uscita si evita il problema di un'eccessiva capacità di uscita, che può far sì che il regolatore assorba così tanta corrente all'avvio da entrare in modalità di protezione da sovracorrente.

Con i condensatori elettrolitici, la VES tende a diminuire all'aumentare della capacità. Inoltre (e indipendentemente dal tipo di condensatore), l'entità dell'ondulazione di uscita è inversamente proporzionale alla capacità di uscita: più COUT significa meno ΔVOUT.

Tieni presente che l’ondulazione dell’output è una considerazione importante. La tensione di uscita ondulata è uno dei punti deboli fondamentali degli alimentatori a commutazione rispetto ai regolatori lineari. In alcune applicazioni, ridurre al minimo l'ondulazione dell'output è un obiettivo di progettazione importante.

Se hai in mente una specifica di ondulazione massima di uscita, puoi usarla come base per scegliere un valore di capacità. Ecco la formula:

$$C_{OUT}=\frac{\Delta I_L}{8\times f_S\times\Delta V_{OUT}}$$

Immaginiamo di utilizzare questa formula per scegliere un valore iniziale per COUT e di non avere ancora un valore simulato per l'ondulazione della corrente dell'induttore (ΔIL). In questo caso, possiamo utilizzare la regola del 30% che abbiamo visto per la prima volta nell'articolo sulla scelta del valore di induttanza: miriamo a un'ondulazione della corrente picco-picco dell'induttore pari al 30% della corrente di uscita prevista, ovvero ΔIL = 0,30 × 70 mA = 21 mA.

Abbiamo già scelto una frequenza di commutazione (fS) di 1,5 MHz. Ora dobbiamo solo scegliere una specifica per ΔVOUT.

Anche se la formula sopra implica che si può semplicemente continuare ad aggiungere capacità di uscita finché l'ondulazione non scompare, nella vita reale ci sono dei limiti pratici. Ad esempio, l'LTM4702 di Analog Devices fa parte della linea "Silent Switcher" di regolatori di commutazione a basso rumore. Le persone che hanno progettato questo componente sanno molto più di me sull'ottimizzazione delle prestazioni dello switcher, eppure il ripple di uscita tipico dell'LTM4702 è di 8 mV (e questo con 200 μF di capacità di uscita).

Fortunatamente, anche se è difficile sapere quanto bassa debba essere realmente l'ondulazione per una determinata applicazione, nella mia esperienza i circuiti a bassa tensione, anche quelli analogici, sono abbastanza resistenti al rumore sulla linea di alimentazione (non dimentichiamo che ogni circuito integrato è già dotato di il proprio condensatore di bypass).

Penso che ΔVOUT = 20 mV sia un obiettivo raggiungibile, quindi lo useremo come punto di partenza. Se eseguiamo i numeri a ΔVOUT = 20 mV, otteniamo quanto segue:

$$C_{OUT}=\frac{.021\ A}{8\times 1500000\ Hz\times .020\ V}=87.5\ nF$$

Ora torniamo allo schema LTspice e modifichiamo il valore di C1 in 87,5 nF. La Figura 2 mostra un grafico di VOUT:

Come puoi vedere nella casella del cursore, la variazione picco-picco in VOUT è abbastanza vicina al nostro valore teorico di 20 mV.