Выходные конденсаторы DC-DC преобразователей

Я пытаюсь понять, какой тип выходного конденсатора является лучшим вариантом.

Предположим, мне требуется выходной конденсатор 10 мкФ на выходе понижающего преобразователя, какой выбрать - алюминиевый электролитический, керамический или танталовый? (Все для поверхностного монтажа.)

Я читал, что алюминий имеет хорошее ESR, что помогло бы обеспечить стабильность контура управления DC-DC, но он большой по размеру. Таким образом, размер является недостатком здесь.

У керамических конденсаторов ESR в 100 раз меньше, чем у алюминиевых, и они имеют очень маленькие размеры. Таким образом, это преимущество, когда размер является большим ограничением.

Я не мог найти каких-либо больших преимуществ или недостатков тантала. Может ли кто-нибудь рассказать мне о преимуществах и недостатках использования тантала?

Также подскажите, какой колпачок идеально подойдет для выхода DC-DC преобразователя - алюминиевый, керамический или танталовый?

Голосование за закрытие - это гипотетический вопрос, и на него нет определенного/идеального ответа, потому что существует множество неопределенных конструктивных параметров (частота преобразователя, фиксированная или переменная частота, выходной ток, размер выходного индуктора и нагрузочные характеристики, размер преобразователя, отказоустойчивость). , MTBF), что может сделать любой из вариантов лучшим выбором или абсолютно худшим выбором.
В наши дни керамика Hi-k довольно хорошо вытеснила танталовые колпачки. Танты имеют лучшие характеристики, чем электролиты, но недостатком является то, что тантал объявлен конфликтным минералом, и танты любят злобно воспламеняться, если вы не будете осторожны. Электро недешево. Керамика Hi-k имеет далеко не идеальные свойства, такие как снижение номинальных характеристик смещения постоянного тока и пьезоэлектрические свойства. В остальном они маленькие и имеют низкое ESR по сравнению с тантами и электро. Иногда низкая СОЭ является проклятием и вызывает звон.
Что означает Hi-k?
Это полностью зависит от паспорта чипа.
Общие алюминиевые электролиты плохо влияют на выход импульсного регулятора. Если только вы специально не покупаете модель с низким ESR. Но у них все равно плохие температурные характеристики. Полимерные колпачки могут быть лучше.
K — диэлектрическая проницаемость. Керамический конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью будет очень маленьким (например, 0603 22 мкФ), но будет иметь сильное изменение емкости при смещении постоянного тока (возможно, 4 мкФ при зарядке 5 В). FWIW, если вы не разрабатываете логику переключения с нуля, в техническом описании обычно указано, что использовать для выходного конденсатора.
@AdamLawrence Я не согласен. Я бы не стал закрывать этот вопрос. Это не гипотетически, и у него может не быть точного числового ответа, но ответ на этот вопрос определенно не основан на предположениях.

Ответы (4)

Я бы избегал тантала, если у вас нет другого выбора; один из их наиболее распространенных режимов отказа - загореться.

Я не знаю, где вы прочитали, что алюминиевые электролиты имеют хорошее ESR по сравнению с керамическими, но они просто не имеют; они, как правило, имеют один из самых высоких ESR среди всех типов конденсаторов. Даже у алюминиевых конденсаторов с низким ESR ESR может быть на несколько порядков выше, чем у сопоставимых MLCC или пленочных конденсаторов.

Для такого приложения я бы использовал MLCC, поскольку точное значение емкости не имеет значения, и оно не слишком велико; MLCC на 10 мкФ довольно дешевы. Однако, если вам нужно гораздо больше, алюминиевый электролит будет подходящим вариантом.

Я также хотел бы отметить, что вы упустили из виду один очень важный тип конденсатора: пленочные конденсаторы. Пленочные колпачки, как правило, имеют большую емкость, чем керамические, более стабильны в зависимости от температуры и приложенного напряжения, чем керамика с высоким κ, доступны с более высокими характеристиками напряжения и температуры, чем MLCC или электролиты, и имеют сравнительно низкое ESR по сравнению с керамикой. Было бы нецелесообразно использовать только конденсатор выходного фильтра, но всякий раз, когда вам нужно что-то стабильное и высокопроизводительное, пленка часто является лучшим выбором.

Спасибо за ответ. Не могли бы вы рассказать мне, как конденсаторы Tant склонны к воспламенению и что означает High-K?
Твердые танталы (типы MnO2) повреждаются внутри, просто проходя через стандартный процесс оплавления, который может вызвать внутренние короткие замыкания между танталовой заготовкой и слоем MnO2 (диэлектрик Ta2O5 растрескивается из-за больших различий между КТР упаковки и тантала выше Tg). Размеры корпуса D и выше наиболее подвержены риску. Я видел, как они выходили из строя при питании от источника с низким импедансом при гораздо меньшем, чем номинальное, номинальном напряжении эффектным пиротехническим образом.
@ Новичок, я не знаю точного механизма, но танталовые колпачки печально известны тем, что в случае выхода из строя наносят большой ущерб цепи. Перенапряжение или чрезмерная температура могут привести к отказу. Керамика с высоким κ (это греческая буква каппа, а не K) относится к диэлектрикам типа II (или типа III, но вы этого больше не видите), в основном все те, которые не относятся к C0G/NP0. Они жертвуют производительностью и стабильностью (и большой стабильностью!) в обмен на гораздо более высокую емкость из-за их высокой диэлектрической проницаемости κ. Их емкость значительно зависит от приложенного напряжения и температуры.
Танталы не имеют самовосстановления, поэтому, если возникнет внутреннее короткое замыкание, оно останется коротким. Если бы это было действительно короткое замыкание с низким сопротивлением, то это потребляло бы достаточный ток, чтобы убедить DC-DC перейти в режим ограничения тока с откатом / икотой, но ... обычно это не происходит, поскольку это всего лишь крошечное короткое замыкание, которое потребляет достаточный ток. сделать много тепла и фейерверков, но недостаточно, чтобы сбить напряжение питания. Таким образом, вы получаете крошечный вулкан на вашей доске.
@bobflux На самом деле, танталы самовосстанавливаются, если ток короткого замыкания ограничен. Если последовательно с танталовым колпачком поставить резистор (не менее нескольких Ом), локальный перегрев поврежденного участка приведет к тому, что материал превратится в изолятор, остановив утечку. Плохая сторона тантала заключается в том, что, если ток не ограничен, они подвергаются неуправляемому процессу, при котором небольшая утечка быстро распространяется по материалу, разрушая колпачок. И обычно нельзя позволить себе сделать выходной конденсатор «действительно высоким ESR», включив последовательно резистор.
И в отличие от других конденсаторных технологий, танталы не деградируют постепенно, пока они не перестанут быть достаточно хорошими, чтобы поддерживать работоспособность схемы. Они прекрасно работают, а через миллисекунду взрываются.
@Hearth Я думаю, вы неправильно поняли обсуждение ESR OP. Он упомянул, что MLCC имеют более низкую СОЭ, но он предполагает, что чем выше СОЭ, тем лучше. Более высокое значение ESR может быть лучше для определенных типов схем (стабилизаторам с малым падением напряжения требуется значительное значение ESR, чтобы быть стабильным), но для других типов (например, импульсных стабилизаторов) вам необходимо минимальное возможное значение.
@TooTea, спасибо за подробности!

Концепция ограничения нагрузки преобразователя постоянного тока имеет два фактора. Прямая потеря + объемное хранение и влияние на исправление ошибок обратной связи. Компромиссы зависят от диапазона нагрузки, допустимых отклонений и пульсаций. Выбор конденсатора влияет на соотношение ESR и частоты, потерь и размера, качества и постоянной времени ESR*C.

ESR*C=tau определяет скорость нарастания напряжения в зависимости от тока, который он может выдержать, так что выход равен dV/dt= I * (1/C + ESR) = (1+ESR * C)/C. Электронные колпачки с низким ESR имеют tau=<10 мкс, в то время как керамические могут быть << 1 мкс, но из-за диэлектрической проницаемости k будет меньше в C для корпуса того же размера, поэтому обычно выбираются как керамические, так и электронные колпачки, если вы не выбираете много керамических крышки параллельно.

Другая концепция заключается в том, что полоса обратной связи по напряжению для коррекции ошибок также определяется тау, и это может привести к фазовому сдвигу, который уменьшает запас по фазе в контуре, поэтому для восстановления стабильности в контуре требуется частная производная или компенсация наклона.

3-я концепция - эффективность накопления и потери в ESR при нагрузках, которые берутся из крышки как устройства временного хранения, в то время как преобразователь постоянного тока пытается заряжать крышки и одновременно питать нагрузку, так что ошибка напряжения минимальна. когда затем добавляется или удаляется ступенчатая нагрузка, а энергии в конденсаторе достаточно для буферизации напряжения с колебаниями тока, чтобы драйвер постоянного тока не перезаряжал или недозаряжал конденсатор из-за задержки или недооценки/переоценки потребляемого тока и привести к большей ошибке из-за усиления ошибки + или - в большей, чем необходимо, коррекции в противоположном направлении.

Таким образом, в конечном счете, коэффициент усиления контура обратной связи Kd, Kp должен быть проверен и обеспечивать некоторый компромисс между пульсациями выходного напряжения, чтобы оставаться стабильным, если выходные конденсаторы находятся «внутри контура управления». Изоляция колпачков с ферритовым кольцом вне контура также должна проверять добротность этого фильтра на холостом ходу, когда добротность является самой высокой для любого фильтра серии LCR.

Как достичь всех этих компромиссов, несколько сложно и по-разному для каждой конструкции, но понимание этих компромиссов является началом интеллектуальных конструкций DCDC путем изучения затем управления импедансом реактивных компонентов и обратной связи с закороченным выходом или почти закороченным выходом из-за ESR. шапки.

Подробности см. в ответах Бассо (вербальный вид)

  • Тантал менее благоприятен, но некоторые более дорогие типы могут соответствовать требованиям.

  • Колпачки из квасцов, рассчитанные на ток пульсаций при 120 Гц, вряд ли будут типами с низким ESR при 100 кГц. Обычно они имеют tau > 100 мкс и используются в качестве колпачков выпрямителей на больших линиях.

Спасибо за ответ. Дай мне понять и вернуться
Раньше мы полагались на выходной ноль выходных конденсаторов (в преобразователях тока) для повышения фазы. Поскольку ESR керамики для поверхностного монтажа находится в миллиомном диапазоне, мы больше не можем этого делать. Решение состоит в том, чтобы создать выходной ноль с конденсатором на верхнем резисторе в цепи обратной связи (положительные регуляторы). Часто известен как резистор прямой связи.

Как заявили другие, основные соображения дизайна не определены в вашем вопросе.

  • Каков срок службы схемы (алюминиевые электролитические колпачки часто используются в качестве «компонента, ограничивающего срок службы», керамика и тантал имеют гораздо более длительный срок службы).
  • Какие температуры вы ожидаете для своего устройства (алюминиевый электролит не любит высоких температур, керамика может иметь огромное температурное влияние, поэтому тантал может появиться на картинке, когда требуется высокотемпературный диапазон).
  • Можно ли уменьшить риски, связанные с танталом (если сомневаетесь, даже не рассматривайте их, фейерверки хороши, но вы не хотите, чтобы они были неожиданными).
  • Является ли стоимость или размер фактором? Нужно более высокое качество? Требования к вибрации/ударам? Множество других факторов, которые могут повлиять на ваше решение.

Керамические и электролитические колпачки имеют свои преимущества и недостатки.

У электролитических конденсаторов ESR выше, чем у керамических, но вы получаете электролитические конденсаторы с огромной емкостью. Они хороши для объемного хранения.

Керамические конденсаторы имеют очень низкое ESR, но не имеют большой емкости (например, 100 мкФ). Благодаря низкому ESR они хороши для подавления выходного шума.

Разработчики используют керамические и электролитические конденсаторы параллельно, чтобы получить преимущества обоих типов конденсаторов. Электролитические конденсаторы имеют большую емкость и обеспечивают большую емкость, в то время как керамические конденсаторы используются для подавления шума на выходе.

Если все, что вам нужно, это 10 мкФ выходной емкости, просто используйте только керамику. Вы также можете использовать танталовые конденсаторы, но есть некоторые проблемы с безопасностью. Если вам нужна большая выходная емкость (например, 50 мкФ, 100 мкФ или более), используйте параллельно электролитические и керамические конденсаторы.

Выходные конденсаторы DC-DC преобразователей
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v