Podstawy LDO: jak dobrać kondensator filtrujący do stabilizatora

Stabilizatory liniowe LDO pracują w wielu różnorodnych urządzeniach. By stabilizator taki działał poprawnie, potrzebny jest odpowiedni kondensator wyjściowy do filtrowania napięcia. Częstym problemem podczas projektowania zasilacza z LDO jest wybór właściwego kondensatora wyjściowego. W tym artykule omówiono różne kwestie związane z wyborem tego kondensatora.

Czym są kondensatory

Kondensator jest urządzeniem służącym do przechowywania ładunku elektrycznego składającego się z jednej lub więcej par przewodników oddzielonych dielektrykiem. Kondensatory są najczęściej wykonane z aluminium, tantalu lub materiałów ceramicznych. Każdy z tych materiałów ma swoje wady i zalety. W poniższej tabeli zebrano zalety i wady poszczególnych rodzajów kondensatorów. Generalnie zaleca się stosować kondensatory ceramiczne ze względu na ich minimalną zmienność pojemności, a także niski koszt.



Czym jest pojemność

Kondensator jest elementem, który przechowuje ładunek elektryczny; pojemność jest parametrem opisującym zdolność do przechowywania tego ładunku. W idealnym świecie wartość zapisana na kondensatorze jest dokładnie taka sama jak wartość pojemności, którą zapewnia. Ale niestety nie żyjemy w idealnym świecie, więc nie można brać wartości nominalnej za pewnik. Jak opisano w poniższym artykule, pojemność kondensatora może wynosić zaledwie 10% jego wartości znamionowej. Może to być spowodowane obniżeniem wartości pojemności poprzez polaryzację napięciem stałym czyt też na skutek podwyższenia jego temperatury. Dodatkowo, produkowane w fabryce kondensatory, charakteryzują się pewnym rozrzutem parametrów, co opisuje tolerancja.

Wpływ polaryzacji napięciem stałym

Biorąc pod uwagę dynamiczny charakter kondensatorów (przechowywanie i rozpraszanie ładunku elektrycznego w sposób nieliniowy), w elemencie takim może wystąpić pewna polaryzacja bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego; zjawisko to znane jest jako "polaryzacja spontaniczna". Wynika ona z obojętnego pola elektrycznego materiału, które nadaje kondensatorowi początkową pojemność.

Przyłożenie zewnętrznego napięcia DC do kondensatora wytwarza stałe pole elektryczne, które redukuje początkową polaryzację, a następnie "blokuje" lub polaryzuje resztę aktywnych dipoli na swoim miejscu. Polaryzacja jest związana z kierunkiem pola elektrycznego w dielektryku. Powoduje to redukcję efektywnej pojemności tego elementu

Jak pokazano na rysunku 1, zablokowane dipole nie reagują na zmiany napięcia AC - w rezultacie efektywna pojemność staje się niższa niż przed przyłożeniem napięcia stałego.



Rysunek 2 pokazuje skutki przyłożenia napięcia stałego do kondensatora i wpływ na wynikową pojemność. Należy zwrócić uwagę, że większy rozmiar kondensatora sprawia, że traci on mniej pojemności; dzieje się tak dlatego, że większe kondensatory mają więcej dielektryka między przewodnikami, co zmniejsza natężenie stałego pola elektrycznego i blokuje mniejszą liczbę dipoli.




Wpływ temperatury na pojemność kondensatora

Podobnie jak inne elementy elektroniczne, kondensatory mają swoją temperaturę znamionową, która określa ich zakres pracy. Wpływa ona również na obniżanie się pojemności. Parametry dotyczące temperatury można zwykle znaleźć pod wartością liczbową kondensatora. W poniższej tabeli zawarto oznaczenia współczynnika temperaturowego dla kondensatorów.



Większość stabilizatorów LDO pracować może w temperaturach od -40°C do 125°C. W tym zakresie najlepiej sprawdzają się kondensatory ceramiczne z dielektrykiem X5R lub X7R.

Jak pokazano na rysunku 3 - sama temperatura także ma wpływ na pojemność kondensatora, nie tylko obciążenie DC. Oba te czynniki w skrajnych przypadkach mogą zredukować wartość pojemności nawet o 90%.



Tolerancja producenta

Ze względu na nieidealną charakterystykę rzeczywistych kondensatorów, wartość pojemności może się zmieniać w zależności od materiału i wielkości kondensatora. Firmy wytwarzające kondensatory i inne pasywne komponenty elektroniczne będą miały ogólny standard określający wartości pojemności - tolerancję komponentu. W tym artykule zakładamy tolerancję ±20% jako tolerancję produkcyjną przy obliczaniu pojemności.

Rzeczywista aplikacja

Powszechnym zastosowaniem LDO jest stabilizowanie napięcia do zasilania mikrokontrolera (1,8 V) z napięcia wejściowego z ogniwa (3,6 V). W poniższym przykładzie użyjemy kondensatora ceramicznego 10 μF z dielektrykiem X7R w obudowie 0603. Rozmiar - 0603 - odnosi się do wymiarów kondensatora: 0,06 cala na 0,03 cala.

Znajdźmy zatem rzeczywistą wartość pojemności tego kondensatora w naszej aplikacji:

Obniżanie wartości poprzez obciążenie DC: Korzystając z wykresu dostarczonego przez producenta - charakterystyk polaryzacji DC dla kondensatora (rysunek 2), można odczytać, że wartość pojemności będzie wynosić nominalnie 7 μF.

Wpływ temperatury: Jeśli kondensator miałby pracować w temperaturze otoczenia równej 125°C, pojemność spada o kolejne 15% wartości pojemności, redukując całkowitą wartość do 5,5 μF. Widzimy to na rysunku 3.

Tolerancja producenta: Biorąc pod uwagę tolerancję producenta wynoszącą, jak założyliśmy powyżej, ±20%, końcowa wartość pojemności wynosi 3,5 μF.

Jak widać na tym przykładzie kondensator 10 μF w skrajnych warunkach ma rzeczywistą wartość pojemności równą 3,5 μF. Wartość pojemności spadła o około 65% wartości nominalnej. Oczywiście nie wszystkie z tych warunków miałyby zastosowanie w każdym systemie, ale ważne jest, aby znać zakres wartości pojemności, które kondensator może przyjąć w naszej aplikacji.

Podsumowanie

Jakkolwiek dobór kondensatora filtrującego napięcie w zasilaczu z LDO wydaje się na pierwszy rzut oka prosty, to istnieje szereg czynników, na które trzeba zwrócić uwagę, aby zasilacz działał poprawnie w całym, zakładanym w projekcie, zakresie warunków pracy. Projektując układ, warto zwrócić uwagę na opisane powyżej czynniki.

Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/08/01/ldo-basics-capacitor-vs-capacitance

Witam
Wkradł się błąd w opisie dla Rys.2, powinno być dla różnych rozmiarów obudowy.
Pozdrawiam Romek

Moje uwagi:

-> Ceramika nie jest taka tania. Te kondensatory zdrożały kilkukrotnie na przestrzeni kilku miesięcy (szczególnie obudowy typu 0805 1206 i w górę). Za kilka lat kondensatorów wysokopojemnościowych MLCC w obudowach 0805 w górę może nie być na rynku.

-> Kondensatory MLCC (bo takie są najczęsciej spotykane jako ceramiczne) w dużych pojemnościach są podatne na uszkodzenia mechaniczne w postaci pękania warstw ceramiki w środku pod wpływem lekkiego (!) wygięcia płytki.

-> Bardzo dobrą alternatywą dla ceramiki są kondensatory polimerowe. Dobry polimer będzie miał ESR na podobnym lub niższym poziomie niż MLCC.

-> Dosyć ciężko jest znaleźć ceramikę dużej pojemności na wysokie napięcie z materiałem X7R. Z jakiegoś powodu do "łask" wrócił nieszczęsny Y5V...

Kondensator na wyjściu stabilizatora LDO (jak również standardowych stabilizatorów liniowych) nie ma za zadania filtrowania napięcia - ma on na celu zapewnienie stabilności pętli sprzężenia zwrotnego. Do filtrowania napięcia stosuje się kondensator na wejściu, w przypadku gdy stabilizator jest zasilany np. z mostka prostowniczego. Zapewnienie tej stabilności w stabilizatorach LDO jest trudniejsze niż w klasycznych. Kiedyś stabilizatory LDO wymagały dość sporych pojemności na wyjściu. Jako tranzystor wyjściowy był najczęsciej stosowany w strukturze tranzystor PNP (dla napięć dodatnich), obecnie są to tranzystory unipolarne z kanałem P. W klasycznym stabilizatorze (napięcia dodatniego) używa się najczęściej tranzystora NPN, pracującego w układzie wtórnika emiterowego, który juz sam w sobie ma dobre właściwości stabilizacyjne. Zmiany napięcia wejściowego, które jest podawane na kolektor tego tranzystora w niewielkim stopniu wpływają na napięcie wyjściowe. Natomiast w stabilizatorze LDO, gdzie użyty jest tranzystor PNP z emiterem podłączonym do napięcia wejściowego - niewielkie zmiany napięcia baza-emiter (bardzo zależne od napięcia wejściowego) powodują duże zmiany prądu kolektora co przekłada się na spore zmiany w napięciu wyjściowym, Wszystko to sprawia, że utrzymanie stabilnego napięcia na wyjściu jest trudniejsze niż w zwykłym stabilizatorze. Dlatego dość często wymagana jest duża pojemność na wyjściu. Obecnie jednak stosuje się jako tranzystor szeregowy tranzystor unipolarny z kanałem P, gdzie zmiany napięcia bramka-żródło powodują mniejsze wahania prądu drenu i mniejsze zmiany napięcia wyjściowego. Kondensator wyjściowy może być o mniejszej pojemności.
Trzeba również zaznaczyć, że układy LDO gorzej nadają się do zastosowania w przypadku gdy są zasilane ze źródła o dużych tętnieniach i transientach (np. w instalacji samochodowej) gdyż takie zmiany są łatwiej przenoszone na wyjście niż w zwykłym stabilizatorze.