Resonancia propia del condensador en un convertidor reductor

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Estoy construyendo un regulador de 5 V para una PCB, y estaba leyendo la hoja de datos y Wikipedia para asegurarme de que lo estaba haciendo bien.

Lo que me desconcierta es que el regulador cambia a 150 kHz. Sin embargo, la mayoría de las fuentes que he encontrado en línea dicen que la frecuencia de auto resonancia de su capuchón electrolítico promedio es inferior a 100 kHz.

En el circuito en la página 8 de la hoja de datos, hay un condensador electrolítico de 220 µF. Suponiendo que 2 nH (estimación baja) es una inductancia de serie razonable (¿verdad?), Entonces la frecuencia de resonancia más alta posible debería ser

\ $ f_c = \ Large {\ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {220e ^ {- 6} \ F \ * \ 2e ^ {- 9} \ H}}} = \ small240 \ kHz \ $

Entonces, a 150 kHz, el capacitor apenas debería funcionar como un capacitor. ¿Cómo funciona esto incluso? ¿Por qué está bien?

Hice algunas simulaciones del circuito para averiguar qué estaba pasando exactamente. Modelé el interruptor / diodo como una onda cuadrada de 12 V con un ciclo de trabajo de 5/12 = 0.417, y con una carga de 5 ohmios (para una corriente de 1 A). El condensador de salida es de 220 µF, el inductor es de 33 µH. Primero hice un gráfico de Bode :

Elcircuitoinferiorestáusandouncondensadorideal(no ESL / ESR ). Es básicamente un filtro de paso bajo con una resonancia a 11k radianes (1,8 kHz). El circuito superior es con una ESR de 100 mohm, ESL 20 µH. El ESR suaviza las cosas en la frecuencia de resonancia. El ESL (auto-resonante a aproximadamente 75 kHz) hace que la respuesta se aplane a aproximadamente 75 kHz y reduce la atenuación de -40 dB / década a -20 db / década.

Y luego lo simulé con SPICE :

Latrazasuperiormuestraelcondensadorideal.Simuladodurante3ms,suenaalafrecuenciaderesonanciadelfiltro(1,8kHz).

Lasegundatrazamuestraelcondensadorconefectosparásitosincluidos.Seaplanadespuésdeunpardemilisegundos,aunqueenelprimermilisegundoelvoltajesedisparahasta9V,ylacorriente(nosemuestra)alcanzaunmáximode12A,loquepodríaserunabuenarazónparaincluiralgunasproteccionesdesobretensión.

Laterceratrazamuestraelvoltajedesalidaoscilandoalrededorde5V(tambiénelvoltajeatravésdelcondensador).Lacuartatrazaeselvoltajeinstantáneoatravésdelainductanciaenserie.Laquintatrazaeslacorrienteatravésdelcapacitor.

Entonces,enestasfrecuencias,elcapacitores,dehecho,casiauto-resonante.LaimpedanciaatravésdeélescasitotalmenteESR(100mohm).Laimpedanciadelapartedelcondensadoridealesde5mohm;Laimpedanciadelainductanciaenserieesde2mohm(ambasinsignificantes).Perotodavíaconsumetodalacorrienteoscilatoria,porqueesde0,1ohmiosenparaleloconunacargade5ohmios.Estoesexactamenteloquesepretendequehagaelcondensador.

Lacuartatrazailustraelefectodelainductanciaenserie.Atravésdeélhayapenas7mV.Laimpedanciadelcondensadoraportaalgosimilar.Delaondulaciónde60mV,estonoesnada,perosilafrecuenciafueramayor,entonceslaimpedanciageneraldelcapacitornoidealseríamayordebidoalainductanciaparásita.Estásbienhastaquelaimpedanciadelcondensadorseconvierteenunaparteimportantedelacarga:cuandoesosucede,obtienesunagrancorrienteoscilatoriaatravésdelacarga,yesoesmalo.

EstotambiénilustralarazónporlacualelESResunparámetrotanimportante.Siesdemasiadobajo,entoncesnoamortiguaelsonidodel circuito LC y su circuito tiene problemas de estabilidad. Pero cuanto más alto sea, más oscilaciones obtendrá en su voltaje de estado estable.

    
pregunta wjin

3 respuestas

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Este documento describe la inductancia típica y la SRF de un condensador electrolítico.

Una forma de saber realmente lo que está pasando es conectar el capacitor a un analizador de impedancia.

LadiferenciaenESRentre100kHzy150kHzespequeña(\$22m\Omega\$vs.\$25m\Omega\$).Laimpedanciamínimaesdealrededorde70kHz.

Recuerde,paralamayoríadelosdiseñosdefuentesdealimentacióndeconmutacióndetipodirecto(esdecir,buck),eltamañoyelnúmerodecondensadoresdesalidaestámuchomásinfluenciadoporelESRquenecesitaparamantenerelrizadodesalidadentrodelasespecificaciones,notantoporlacapacidadquenecesitaparamantenerlaregulacióncuandoeltrendefuerzanoestásuministrandoenergía;generalmente,ustedterminaconmuchomásCdelquenecesitaparaobtenerlaESRquedesea.

Además,inclusocuandoseexcedelaSRFylaESLsevuelvedominante,lapartesiguesiendouncondensador,soloconciertainductanciaenserie.LaESR(causadaporlaESL)tienequevolverseextremadamentegrandeantesdequelapartedejedefuncionarcomouncapacitor,loquesucederáafrecuenciasextremadamentealtas(dondelaESRseacercaalaresistenciadelacarga). Este artículo explica muy bien el concepto.

(Es como pensar en un circuito giratorio: simula la inductancia, pero en realidad no es un inductor, ya que no almacena energía en un campo magnético).

Confíe en mí, muchas fuentes de alimentación que funcionan a 100 kHz o por encima de ellas utilizan condensadores electrolíticos como filtros de salida con gran éxito.

    
respondido por el Adam Lawrence
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Si la frecuencia de operación es de 150 kHz y el condensador es auto resonante a 240 kHz, eso no es un problema, excepto por dos consideraciones:

  1. La ondulación en el condensador tiene algunos armónicos en frecuencias de 300 kHz, 450 kHz, etc. Debe tener capacitores adicionales de menor valor en paralelo con la tapa principal de 220 uF si desea filtrar estos armónicos.

  2. Su cálculo de la frecuencia de resonancia propia asumió que la inductancia en serie del capacitor fue 2 nH. Lo que puede o no puede ser correcto. Si no puede probarse a sí mismo que su tapa y sus trazas de conexión tienen una inductancia tan baja, es posible que desee proporcionar a la capacitancia de 220 uF una combinación paralela de capacitores más pequeños (por ejemplo, cuatro o cinco tapas de 47 uF) en lugar de una sola parte de gran valor.

respondido por el The Photon
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Sus argumentos tienen algún mérito.
 Necesitará comprobar cuáles son las especificaciones del mundo ral, ya que esta es realmente una "aplicación exigente".

La hoja de datos de la parte real que especifican explícitamente = Nichicon PM series 22V, 220 uF es here con el 220/25 en la 4ta hoja (¿páginas sin numerar aquí?).

Dan la impedancia del peor caso a 100 kHz y la especificación de la corriente de rizado a 200 kHz.
 Es probable que esté presionando los límites superiores razonables de este condensador en esta aplicación. Algunas de las tapas más pequeñas, paralelas y con mayor capacidad, también pueden ser "una buena idea".

    
respondido por el Russell McMahon

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