Scelta del giusto tipo di condensatore di uscita per un regolatore a commutazione

Gli articoli precedenti di questa serie hanno esaminato il comportamento elettrico dei regolatori di commutazione step-down, hanno fornito indicazioni sul dimensionamento iniziale degli induttori e hanno discusso la regolazione fine della corrente dell'induttore e dell'induttanza. Ora, con l'aiuto delle simulazioni LTspice e dello schema seguente (Figura 1), esploreremo la relazione tra le caratteristiche dei condensatori e le prestazioni dei convertitori buck in modalità commutazione.

L'induttore in un regolatore in modalità commutazione consente un'azione di commutazione on/off per produrre una forma d'onda di corrente di accelerazione/decelerazione. Tuttavia, abbiamo bisogno della capacità di uscita per immagazzinare e rilasciare la carica in modo tale che la corrente che fluisce nel carico e la tensione attraverso il carico rimangano stabili nonostante le variazioni (potenzialmente piuttosto grandi) della corrente dell'induttore. Il grafico seguente (Figura 2) mostra cosa succede quando elimino virtualmente il condensatore di uscita utilizzando un valore molto piccolo per C1.

Vediamo, quindi, che il condensatore di uscita in un regolatore a commutazione svolge una funzione di filtraggio critica. Questo componente va quindi selezionato con attenzione, prestando attenzione sia al tipo di condensatore che al suo valore di capacità. In questo articolo ci concentreremo sul tipo di condensatore; nella prossima sezione parleremo del valore.

Le tre tecnologie di condensatori più comunemente utilizzate nei dispositivi elettronici a bassa tensione sono ceramica (nota anche come MLCC, che significa condensatore ceramico multistrato), alluminio elettrolitico e tantalio. Di seguito ho riassunto i pro e i contro di ciascuno, ponendo l'accento sulle qualità rilevanti per gli alimentatori a commutazione; tieni presente che queste sono generalizzazioni e che le generalizzazioni per loro natura sacrificano un certo grado di accuratezza a favore della brevità e della semplicità.

La tendenza nella progettazione dei regolatori a commutazione è verso frequenze di commutazione più elevate, che consentono una capacità di uscita inferiore. Ciò rende la ceramica una scelta più fattibile per i condensatori di uscita; chi volesse maggiori informazioni su questo argomento può trovare la mia guida sulle tipologie di condensatori ceramici di suo interesse.

Nel complesso, trovo che i condensatori ceramici siano i più utili. Considero l'alluminio elettrolitico o il tantalio solo se c'è una ragione convincente per evitare la ceramica.

Quale caratteristica incida maggiormente sulla scelta del tipo di condensatore di uscita dipende, almeno in parte, dalle tue priorità. Se ti concentri sulle prestazioni elettriche, tuttavia, la resistenza in serie equivalente (ESR) è probabilmente il fattore più importante da considerare.

Nei circuiti convertitori a commutazione, una ESR inferiore è solitamente migliore. Una ESR più elevata comporta un ripple della tensione di uscita più elevato e un'efficienza inferiore; potrebbe anche influire negativamente sulla stabilità del circuito di controllo utilizzato dal regolatore per mantenere una tensione di uscita specifica. In teoria, tuttavia, il circuito di controllo di uno switcher potrebbe essere progettato pensando a condensatori con ESR più elevato, quindi non possiamo dire che un ESR inferiore sia sempre migliore per la stabilità. Un fatto cruciale da tenere a mente è che la ESR del condensatore non è costante sulla frequenza. È necessario utilizzare un valore ESR che corrisponda alla frequenza operativa del circuito.

Se stai utilizzando uno switcher standard, si spera che la scheda tecnica includa numeri di parte del condensatore di esempio o una gamma ESR consigliata. Potresti anche trovare utili le simulazioni per identificare i parametri corretti del condensatore, soprattutto se le indicazioni della scheda tecnica sono limitate o non disponibili, e puoi aggiungere ESR a un condensatore ideale per rendere le simulazioni più coerenti con il comportamento elettrico nella vita reale.

Un modello più completo per un condensatore reale include sia l'ESR che l'induttanza in serie equivalente (ESL). Puoi leggere ulteriori informazioni su ESR ed ESL nella parte 2 della mia serie sui condensatori di bypass.

Il grafico seguente (Figura 3) trasmette l'ondulazione di uscita per il circuito del commutatore mostrato in Figura 1 con un condensatore di uscita idealizzato (ESR = 0 Ω, ESL = 0 H).

Ora modifichiamo il condensatore di uscita in modo che il suo comportamento sia più coerente con quello di un condensatore ceramico 0805. Imposteremo la resistenza in serie equivalente su 10 mΩ, che è un valore ragionevole per un condensatore ceramico alla frequenza operativa di 1,5 MHz del nostro commutatore. La nuova traccia VOUT è mostrata di seguito nella Figura 4, con impostazioni identiche per gli assi verticale e orizzontale per facilitare un confronto visivo diretto.