Как правило, разработчики источников питания основное внимание уделяют выходным конденсаторам, полагая, что именно они обеспечивают требуемое качество выходного напряжения. В общем случае это действительно так, но ошибочный выбор входного конденсатора может заметно понизить качество изделия. В статье кратко рассматриваются основные моменты, которые следует учесть при выборе входного конденсатора.
При проектировании источников питания очень важным считается выбор выходного конденсатора, величина и параметры которого тесно связаны с требованиями по ограничению пульсаций и шума выходного напряжения. Потребитель готов платить за качество выходного конденсатора, хотя зачастую параметры входного конденсатора играют куда более важную роль при проектировании понижающего преобразователя. Его частотные характеристики и место расположения на печатной плате в значительной степени определяют успешность разработки и могут влиять даже на выходной шум.
Нагрузка на входной конденсатор более велика, чем на выходной, по крайней мере по двум параметрам. Скорость изменения величины тока, протекающего через входной конденсатор, выше, чем через выходной, поэтому его расположение и параметры играют важную роль при ограничении всплесков напряжений, возникающих на индуктивности рассеяний на крутых фронтах импульсов тока. Помехи, возникающие при этом, могут накладываться и на выходное напряжение. Также и среднеквадратичный ток, протекающий через входной конденсатор выше, нежели ток, протекающий через выходной конденсатор, поэтому при неверном его выборе возможен перегрев.
Помехи, возникающие в источнике питания от крутых токовых фронтов, прямо пропорциональны скорости изменения тока dI/dT. На входной конденсатор воздействует напряжение прямоугольной формы. Ток изменяется от нуля, когда верхний ключ преобразователя закрыт, до максимального значения при открытии верхнего ключа. В современных силовых MOSFET время нарастания тока составляет 5 нс. Понятно, что при таких крутых фронтах индуктивности рассеяния создают «иголки» напряжения.
Форма тока, протекающего через выходной конденсатор, в значительной степени сглажена дросселем фильтра. Пиковое значение выходного тока может быть ограничено. Обычно его пульсации не превышают 40% максимального тока нагрузки.
При рабочей частоте 500 кГц, коэффициенте заполнения D = 10% и токе пульсации равном 40% от максимального тока нагрузки, ток через выходной конденсатор нарастает в течение 200 нс, что примерно в 100 раз медленнее, чем скорость нарастания входного тока. При увеличении коэффициента заполнения или уменьшении тока пульсаций отличие может быть и более впечатляющим.
Из-за большого среднеквадратичного тока, протекающего через входной конденсатор и неидеальности конденсатора — наличия последовательного эквивалентного сопротивления (ESR) — возможен критический перегрев конденсатора вплоть до его отказа.
Среднеквадратичный ток через входной конденсатор определится из выражения:
При входном напряжении 5 В и выходном напряжении 1,2 В величина D = 0,24. При этом IRMS входного конденсатора составит 43% от тока нагрузки. При входном напряжении 12 В и выходном — 1 В IRMS составит около 30% нагрузочного тока. Ток, проходящий через выходной конденсатор, имеет пилообразную форму. Его среднеквадратичное значение равно току пульсации дросселя (размах пик-пик) поделенному на
Для понижающего преобразователя с током пульсации равным 40% от тока нагрузки среднеквадратичное значение тока через выходной конденсатор составит 12% нагрузочного тока, что в 2,5 раза меньше, чем через входной конденсатор.
Наиболее часто в преобразователях применяются конденсаторы типоразмеров 0603–1420. Согласно документации на конденсаторы компании AVX, индуктивность выводов таких конденсаторов составляет около 1 нГн. Для танталовых и электролитических чип-конденсаторов типоразмера 2917 паразитная индуктивность находится в диапазоне 4…7 нГн.
ESR керамического конденсатора размером 1210 с максимально допустимым напряжением 6,3…12 В составляет 1…2 мОм. Типичное значение ESR танталовых конденсаторов: 50…150 мОм. Именно значения ESR и ограничивают максимальный среднеквадратичный ток. Другими словами, IRMS ограничен нагревом конденсаторов. Так, IRMS керамического конденсатора не должен превышать 3 А, а танталового — 0,5 А. Но в последних разработках — мультианодных танталовых конденсаторах — удалось снизить паразитные индуктивности и емкости почти вдвое.
Рассмотрим в качестве примера преобразователь 6 А с диапазоном входных напряжений 1,2…12 В и рабочей частотой 300 кГц, созданный на основе контроллера TPS40190 компании Texas Instruments. Приоритеты пользователя при построении схемы: низкая стоимость и простая ведомость покупных изделий. В качестве входного и выходного конденсаторов предлагается использовать стандартные конденсаторы напряжением 16 В и емкостью 22 мкФ. Эти конденсаторы рассчитаны на среднеквадратичный ток 3 А, при этом их нагрев невелик. В худшем случае, когда входное напряжение составляет 5 В и D ≈ 0,25, в соответствии с (1) IRMS ≈ 2,6 А.
Пульсации выходного напряжения предусмотрены менее 20 мВ (пик-пик). Индуктивность выходного дросселя выбрана 2,2 мкГн, а пульсации тока через него составляют 1,8 А — 30% от максимального выходного тока. Пульсации напряжения при рабочей частоте F и малых ESR и индуктивности выходного конденсатора составят:
Пульсации от пика до пика входного напряжения составляют 200 мВ (см. рис. 1), что в 10 раз больше, чем требуется для выходного напряжения (см. рис. 2). Если вместо одного входного конденсатора использовать три, то пульсации входного напряжения все же будут превышать пульсации выходного напряжения более чем в три раза. По требованию заказчика пульсации входного напряжения не должны превышать 100 мВ, поэтому во входной цепи следует использовать три конденсатора.
 |
|
Рис. 1. Пульсации на входном конденсаторе при входном напряжении 13 В и токе нагрузки 6 А (50 мВ/дел.)
|
 |
|
Рис. 2. Пульсации на выходном конденсаторе при входном напряжении 13 В и токе нагрузки 6 А (5 мВ/дел.)
|
Если входной керамический конденсатор размещен рядом с алюминиевым электролитическим конденсатором, то из-за большой паразитной индуктивности последнего всплески максимального напряжения на конденсаторе могут возрасти примерно на 3 В. Возрастание напряжения также возможно примерно на ту же величину при размещении керамического конденсатора на расстоянии 1,2 см от силовых ключей. Очень важно, чтобы паразитная индуктивность байпасного конденсатора была невелика и он располагался как можно ближе к силовым ключам.