Почему так важен правильный выбор конденсаторов для LDO стабилизатора

При повторении различных радиотехнических устройств радиолюбители зачастую сталкиваются с проблемами шумов, наводок, помех. Электрическая схема на бумаге, в симуляторе, это одно, а уж в железе…, ну это совершенно другое.

На эту тему я уже публиковал статью Алексея Кузнецова, г. Аделаида, Австралия, в которой рассматривались проблемы помех применительно к проектированию печатных плат. Статья состоит из трех частей, это:

1) «Устойчивость работы импульсных устройств»

2) «Импульсные помехи, продолжение»

3) «Разводка плат, помехи»

В этой статье пойдет речь о блокировочных конденсаторах, автор статьи Glenn Morita. Перевод статьи опубликован в журнале «Радиолоцман» 2011 №06 стр. стр. 29-35

Аббревиатура LDO — “low drop out” применительно к стабилизаторам или регуляторам напряжения переводится дословно как: низкое падение на выходе. Это надо понимать, как низкое падение напряжения на самом стабилизаторе, напряжение вход-выход.

Разработчики порой не задумываются о том, что кроме емкости и допустимого напряжения, у конденсаторов есть еще множество характеристик. Они обладают такими параметрами, как эквивалентное последовательное сопротивление (Effective Series Resistance — ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (Effective Series Inductance — ESL), их емкость зависит от температуры и напряжения, они чувствительны к механическим воздействиям.

Разработчики линейных стабилизаторов напряжения должны относиться к выбору входных и выходных конденсаторов с точно такой же ответственностью, как и разработчики фильтров, времязадающих цепей или других устройств, параметры которых определяются емкостью конденсатора. Следствием неправильного выбора конденсаторов может быть неустойчивость схемы, повышенный уровень шумов, чрезмерное потребление тока, сокращение срока службы и непредсказуемое поведение устройства.

Технологические разновидности конденсаторов

Конденсаторы имеют самые разные размеры, форму, допустимые значения напряжения и другие параметры, позволяющие подобрать подходящий конденсатор для любой схемы. В качестве материала диэлектрика обычно используют масло, бумагу, стекло, воздух, слюду, полимерные пленки и окислы металлов. Каждый диэлектрик обладает специфическими свойствами, которые определяют область его применения.

В стабилизаторах напряжения в качестве входных и выходных, чаще всего, используются многослойные керамические, танталовые с твердым электролитом и алюминиевые конденсаторы. Ниже приведена таблица сравнения характеристик конденсаторов различных типов.

Многослойные керамические конденсаторы

Многослойные керамические конденсаторы сочетают в себе малые габариты и низкие значения ESR и ESL. Но, к сожалению, они не лишены и серьезных недостатков. В зависимости от материала диэлектрика, влияние на величину емкости температуры, постоянного напряжения смещения и амплитуды переменного напряжения может быть очень значительным. Кроме того, пьезоэлектрический характер диэлектрика является причиной трансформации механических вибраций и ударов в электрический шум. Чаще всего, этот шум имеет порядок единиц микровольт, но в отдельных случаях, генерируемые механическими нагрузками шумы могут достигать единиц милливольт.

Управляемые напряжением генераторы (Voltage-controlled oscillators – VCOs), схемы ФАПЧ (phase-locked loops – PLLs), усилители мощности радиочастотного диапазона (RF power amplifiers – PAs) чувствительны к шумам на шинах их питания. В схемах VCO и PLL эти шумы проявляют себя в форме дрожания фазы, в PA – в форме амплитудной модуляции, в ультразвуковых сканерах и компьютерных томографах приводят к искажению изображений. Шумы опасны для любых аналоговых схем, работающих со слабыми сигналами. Несмотря на все перечисленные недостатки, керамические конденсаторы используются практически в каждом электронном устройстве из-за их небольших размеров и цены. Однако, проектируя стабилизаторы напряжения для чувствительных к шумам приложений, необходимо внимательно оценить и все побочные эффекты.

Танталовые конденсаторы с твердым электролитом

По сравнению с многослойными керамическими конденсаторами, параметры танталовых конденсаторов с твердым электролитом в меньшей степени зависят от температуры, напряжения смещения и вибраций. В танталовых конденсаторах последнего поколения вместо двуокиси марганца используется проводящий полимерный электролит, благодаря которому повысилась стойкость к броскам тока и отпала необходимость в токоограничительном резисторе.

Кроме того, уменьшилось ESR. Емкость танталовых конденсаторов с твердым электролитом слабо зависит от температуры и напряжения смещения, поэтому основными критериями выбора конденсаторов остаются допустимое напряжение, рабочая температура и величина ESR. Имеющие низкое ESR танталовые конденсаторы с твердым электролитом дороже и несколько крупнее керамических, но для электрических схем, где шумы, вызванные пьезоэффектом недопустимы, они могут оказаться единственным выбором. Токи утечки танталовых конденсаторов намного больше, чем у керамических конденсаторов такой же емкости, что делает их непригодными для использования в некоторых слаботочных схемах. Недостатком технологии твердых полимерных электролитов является большая чувствительность к повышенной температуре пайки, характерной для бессвинцовых технологических процессов. Изготовители, как правило, запрещают подвергать конденсаторы с твердыми полимерными электролитами более чем трем циклам монтажа. Игнорирование этого требования может привести к проблемам с долговременной надежностью работы схемы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Обычные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют большие габариты, худшие значения ESR и ESL, относительно высокий ток утечки и ограниченный срок службы, измеряемый тысячами часов. В алюминиевых конденсаторах с сухим электролитом (OS-CON)используется электролит на основе органических полупроводников и катод из алюминиевой фольги, что позволяет получить лучшие значения ESR. Несмотря на то, что технологически OS-CON конденсаторы близки к танталовым конденсаторам с твердым электролитом, появились они лет на 10 раньше танталовых. Из-за отсутствия подверженного высыханию жидкого электролита, OS-CON конденсаторы превосходят обычные алюминиевые по сроку службы. Большинство из них рассчитаны на предельную температуру 105 °C, но в последнее время стали появляться OS-CON конденсаторы, специфицированные для температуры 125 °C. Хотя характеристики OS-CON конденсаторов и лучше, чем у обычных алюминиевых, но они крупнее и имеют худшее ESR, чем керамические и танталовые конденсаторы. Так же, как танталовые, они не имеют пьезоэффекта и могут использоваться в схемах, требующих низких уровней шумов.

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 источника большей части тока в нагрузку, 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.

Входной блокировочный конденсатор

Включение конденсатора емкостью 1 мкФ между входом стабилизатора и общим проводом 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 так же 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 схем рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R на напряжения от 6.3 до 10В. 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 мкФх10В 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. Вычислить наихудшее изменение емкости конденсатора, в зависимости от температуры, допуска номинала и напряжения, можно с помощью следующего уравнения:

Заключение

Для того чтобы гарантировать сохранение характеристик стабилизаторов напряжения при влиянии напряжения смещения, изменения 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.

Надеюсь, мои дорогие посетители, эта статья поможет вам по другому взглянуть на ваши разработки. Учтя эти наставления и проанализировав свои не работающие конструкции возможно вы сумеете вдохнуть в них новую жизнь. Удачи. К.В.Ю.

Скачать статью