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技术文章 > 滤波电容器的选择标准在线性稳压器中的应用

2014/5/28 17:24:46

Alastair R. Ruddle博士  英国纳尼顿MIRA有限公司
    摘要:虽然稳压器供应商通常建议在他们的设备中使用通用的滤波电容,但是这些建议往往都含糊不清, 未能考虑到大量的公共数据网旁路网络在电压调节模块上的的响应带来的影响。

滤波电容网络
图1 描述了一个通用的公共数据网络概念模型

 

          图1 通用的公共数据网络概念模型


 从左到右我们看到,开关电源电压调节模块的开关功率级,电压调节模块的有效传递函数阻抗,大容量的旁路电容分支,一系列互联电感和最后安装的集成电路负载。集成电路负载可能拥有自己的内部电容。优化公用数据网滤波器包括以下几方面:

  • 只购买实现高频性能所需数量的电容。
  • 只购买实现低频性能所需电容的大小数值。
  • 为稳态响应插入所需的频率补偿。

 公 共数据网络设计可以根据电压调节模块中大容量电容的有效频率范围分为强耦合或弱耦合。紧密耦合设计是与高频电容器并行等效阻抗相比,互连阻抗很小的,位于电压调节模块上频率响应之下的设计。对于大部分线性稳压器来说,频率极限是1MHz。尤其是大多数具有线性稳压器的印刷电路板公共数据网络都是强耦合。
    在强耦合设计中,分布式的旁路网络直接通过电压调节模块的闭环响应被加载到电压调节模块上。分布式的高频电容器提供不能被大容量电容复制但必须在电压调节模块误差响应中存在的电容值。因为公共数据网络的高频性能约束着大部分电容的数量和数值,因此电压调节模块的滤波器设计通常是先设计高频网络,然后利用此网络来满足电压调节模块需求。
     所有的电压调节模块都位于核心的反馈控制系统中。印刷电路板的公共数据网和集成电路被加载到输出放大器上来改变闭环传输函数。主要关心的对象是实现一个无条件稳定响应适用于高频旁路网络和任何大型集装的集成电路电容。
     一个不幸的现实是大多数线性稳压器数据表和应用说明都未能详细介绍可接受滤波电容器参数值。在许多情况下,供应商只是模糊地推荐通用电容器类型如钽或铝电解电容器。其他情况下,供应商会介绍他们的产品可以接受低等效串联电容的片式多层陶瓷电容器,除此之外再无其他介绍。下面介绍的通过利用仿真手段描述电压调节模块的特性来进行设计的方法可以规避以上提到的不足。

设计步骤
  1、将所有的公共数据网负载电容相加当作线路上所有并联等效高频电容,对于任何大型集成电路内部电容也一样,当成CPDN。
  2、确定最初的大容量滤波电容:CBULK_INITIAL是制造商要求的电压调节模块大容量电容和CPDN 的差异。
  3、选择一个积层陶瓷晶片电容, 或在必要时为电容并联积层陶瓷晶片电容器,数值要大于等于CBULK_INITIAL。
  4、电压调节模块加载公共数据网络与CBULK_INITIAL 的并联来进行瞬态仿真。
  5、如果瞬态模拟显示小于1.5 周期振铃, 设计是稳定的。在设计中,CBULK_INITIAL 的花费和积层陶瓷晶片电容一样昂贵,因此可以选择一个低成本的电解质电容作为替换。否则,积层陶瓷晶片电容作为CBULK_INITIAL 的替代是最后的选择。
    如果瞬态模拟显示超过1.5 周期振铃,那么就需要等效串联电阻的主极点。下一步的任务就是确定主极点的数值,并且在此基础上确定一个最终的大容量滤波电容器的数值。

主极点补偿器
   1、用一个理想的电容CDP 和一系列理想的电阻RDP 代替CBULK_INITIAL。
   2、设定CDP 值为大于两倍CPDN 的最小E3 数值。
   3、设定RDP 初始值为1mΩ。
   4、以1.4 倍的步进增加RDP 的值,重复瞬态仿真直到瞬态振铃周期在1.5 周期内。
   5、选择一个合适的具有最小的等效串联电阻的电容,数值介于RDP 和4 倍RDP 之间。或者,放入一个同样范围的分离电阻与积层陶瓷晶片电容串联。
   6、对最终选择进行仿真。

瞬态仿真

设置任何形式的SPICE 模型都可以进行瞬态仿真,包括免费的LT SPICE Linear Technology 和TI / National 提供的WebBench。

                             图 2 电压调节模块瞬态仿真设置图


   这个仿真计算了负载瞬态稳定性。一个理想的电压原来为电压调节模块供电,电压调节模块加载一个脉冲式电流源,脉冲宽度应该与电压调节模块制造商数据单上的测试波形相匹配。然而50us 的脉冲宽度重复一次之后到100us 也是可以的。脉冲上升下降时间不得超过1/(10 F0dB ),如果明确负载响应,F0dB 是负载响应的0dB 截距;如果负载响应不明确,则F0dB 是扰动能力的0dB 截距。除了最高带宽线性稳压器外,100ns 通常都是适用的。

设计实例
    我们以目前流行的Linear Technology Inc. 的三端稳压器LT1083 作为设计实例。该稳压器为一个3.3V 的稳压器,推荐使用1uf 的频率补偿电容和一个10uf 的不明确的钽电容器作为大容量电容器。10uf 钽电容器可适用在25 mΩ 至10 Ω 的不同形式的等效串联电阻情况下。数据表和应用说明没有提供更进一步的指导。不充足的等效串联电阻导致振铃现象和缓慢的瞬态恢复。过量的等效串联电阻导致过量的瞬态电压。
     在实例中,高频率公共数据网络被一家主要生产积层陶瓷晶片电容的厂家的24 个470nf 0402 X5R 电容代替,这些电容在电源层上附加了电感。24 个470nf 电容在一起的CPDN 超过了制造商推荐的10uf。开始时并没有包括大容量电容,图3 的瞬态响应结果展示了实际的振铃现象。我们需要增加主极点补偿。

                                             图 3 初始的公共数据网络瞬态响应


  根据设计步骤,我们首先选择一个E3 电容值至少为公共数据网络并联电容的两倍,22uf 是合适的选择。然后,我们改变等效串联电阻的大小重复进行瞬态仿真,直到充分地抑制了瞬态振铃。我们发现32 mΩ 是最小的等效串联电阻。在图四中看到,补偿响应在最大振幅处以接近50% 的衰减速度迅速下降。


  
                                         图 4 补偿响应
我们可以选择几种替代电容器来实现主导极点补偿网络:
22uf 积层陶瓷晶片电容与35mΩ 厚膜电阻串联。预计花销:$0.20
22uf 、40mΩ 的铝聚合物贴片电容器。预计花销:$0.45
22uf 、40mΩ 的钽聚合物贴片电容器。预计花销:$1.33

总结
  电压调节模块基本上是反馈控制系统。当电压调节模块的频率响应中互联阻抗很低时,整个公共数据网络是强耦合并被加载到电压调节模块上,减少了要求的大容量电容,同时存在不稳定的响应。通过一个简单的模拟驱动程序,利用紧凑和低成本的解决方案,可以获得理想的电压调节模块响应。