Почему так важен правильный выбор конденсаторов для LDO стабилизатора. Часть 2 - Выбор конденсаторов

Окончание

Начало читайте здесь:

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Выбор выходных конденсаторов для схем на LDO стабилизаторах

LDO стабилизаторы фирмы Analog Devices могут работать с небольшими керамическими конденсаторами, при условии, что последние имеют низкое значение ESR. ESR выходного конденсатора влияет на устойчивость петли обратной связи стабилизатора. Рекомендуется использовать конденсаторы с емкостью не менее 1 мкФ и ESR не более 1 Ом.

От выходного конденсатора зависит, также, реакция стабилизатора на изменения тока нагрузки. Петля обратной связи имеет ограниченную полосу пропускания для большого сигнала, поэтому во время переходного процесса функцию поставщика в нагрузку большей части тока должен принимать на себя конденсатор. Как показано на Рис. 1, при скачке тока нагрузки от 1 до 200 мА со скоростью 500 мА/мкс, конденсатор емкостью 1 мкФ не в состоянии отдать достаточный ток, что приводит к «провалу» напряжения, приблизительно на 80 мВ. Увеличение емкости до 10 мкФ уменьшает бросок напряжения до 70 мВ (Рис. 2). Конденсатор емкостью 20 мкФ позволяет стабилизатору активно отслеживать скачок тока (Рис. 3) и уменьшить влияние переходного процесса. В примере использовался стабилизатор типа ADP151 с входным напряжением 5 В и выходным 3.3 В.


Рис. 1.	*Переходный процесс при C_OUT = 1 мкФ.*


Рис. 2.	*Переходный процесс при C_OUT = 10 мкФ.*


Рис. 3.	*Переходный процесс при C_OUT = 20 мкФ.*

Входной блокировочный конденсатор

Включение конденсатора емкостью 1 мкФ между входом стабилизатора и «землей» уменьшает влияние на схему топологии печатной платы, особенно при большой длине подводящих проводников или при высоком выходном сопротивлении источника питания. Емкости выходных и входных конденсаторов следует изменять согласованно: если на выходе требуется конденсатор более 1 мкФ, емкость входного конденсатора также должна быть увеличена.

Требования, предъявляемые к свойствам входных и выходных конденсаторов

Требования к входным и выходным конденсаторам должны учитывать диапазон рабочих температур и рабочие напряжения стабилизатора. Керамические конденсаторы производятся с диэлектриками самых разных типов, и каждый характеризуется определенным поведением при изменении температуры и напряжения. Для 5-вольтовых приложений рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R на напряжения от 6.3 до 10 В. Диэлектрики Y5V и Z5U характеризуются очень сильной зависимостью от температуры и напряжения, и использоваться в LDO стабилизаторах не могут.

На Рис. 4 показана зависимость емкости от величины приложенного постоянного напряжения для конденсаторов 1 мкФ / 10 В / X5R типоразмера 0402. Рабочее напряжение и размер конденсатора сильнейшим образом влияют на зависимость его емкости от напряжения. В общем случае можно сказать, что чем больше типоразмер и допустимое напряжение конденсатора, тем меньше влияние на него напряжения смещения. Изменение емкости конденсатора с диэлектриком X5R в диапазоне температур –40 … +85 °C составляет ±15% и не зависит ни от габаритов, ни от допустимого напряжения.


Рис. 4.	*Зависимость емкости от напряжения смещения.*

Вычислить наихудшее изменение емкости конденсатора, в зависимости от температуры, допуска номинала и напряжения, можно с помощью Уравнения 1:

C_EFF = C_BIAS × (1 – TVAR) × (1 – TOL)

(1)

где

C_BIAS – номинальная емкость при рабочем напряжении;
TVAR – наихудшее изменение емкости от температуры (в долях от 1);
TOL – наибольшее отклонение номинала (в долях от 1).

В этом примере

TVAR = 15% в диапазоне –40°C…+85°C для диэлектрика X5R;
TOL = 10%;
C_BIAS = 0.94 мкФ при напряжении 1.8 В, как показано на Рис. 4.

Используя эти значения, можно вычислить:

C_EFF = 0.94 µF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 µF

В справочных данных на ADP151 минимальная входная емкость в диапазоне рабочих температур и при рабочем напряжении указана равной 0.70 мкФ, так что конденсатор удовлетворяет этим требованиям.

Заключение

Для того, чтобы гарантировать сохранение характеристик LDO при влиянии напряжения смещения, изменении температуры и разбросе номинальных значений емкости, надо выбирать конденсаторы, ясно представляя себе их свойства и особенности. Учитывать технологические особенности конденсаторов необходимо и в тех случаях, когда предъявляются требования к уровню шумов, дрейфу или целостности сигналов. Все конденсаторы в чем-то несовершенны, и выбирать их следует в строгом соответствии с областью применения.

Приложение


Рис. А.	*Конденсаторы, чаще всего используемые для LDO стабилизаторов.*

Сверху по часовой стрелке:

Алюминиевый конденсатор с твердым полимерным электролитом 100 мкФ/6.3 В
Танталовые конденсаторы с твердым электролитом 1 мкФ/35 В и 10 мкФ/25 В
Многослойные керамические конденсаторы 1 мкФ/25 В, 4.7 мкФ/16 В, 10 мкФ/25 В
Алюминиевые электролитические конденсаторы 10 мкФ/16 В и 22 мкФ/25 В

Таблица 1. Сравнение важнейших характеристик конденсаторов различных технологических видов

Технология	ESR	ESI	Стабильность по напряжению	Температурная стабильность	Чувствительность к вибрации	Отношение емкость/ объем
Алюминиевые электролитические	Наибольшее	Наибольшая	Худшая	Худшая	Низкая	Низкое
Танталовые с твердым электролитом	Среднее	Средняя	Наилучшая	Хорошая	Низкая	Высокое
Алюминиевые с твердым электролитом	Низкое	Низкая	Наилучшая	Хорошая	Низкая	Высокое
Многослойные керамические	Самое низкое	Самая низкая	Плохая	Хорошая	Высокая	Среднее