Dlaczego tak ważny jest dobór bocznikujących kondensatorów w układach stabilizatorów LDO? (cz. 1/2)

Tabela 1

Powszechnie postrzegane, jako panaceum na rozwiązanie wszystkich problemów związanych z zakłóceniami, kondensatory zasługują na więcej szacunku.
Projektanci często myślą, że dodanie kilku kondensatorów rozwiąże większość problemów związanych z zakłóceniami, ale niewiele uwagi poświęcają innym parametrom niż pojemność i napięcie znamionowe.
Podobnie jak wszystkie elementy elektroniczne, kondensatory nie są doskonałe.
Natomiast posiadają one pasożytniczą zastępczą (równoważną) rezystancję szeregową (ESR – Equivalent Series Resistance) i indukcyjność (ESL – Equivalent Series Inductance); ich pojemność zmienia się w zależności od temperatury i napięcia; są wrażliwe na wpływ czynników mechanicznych.
Projektanci muszą wziąć pod uwagę te czynniki przy wyborze kondensatorów bocznikujących – jak również przy stosowaniu w filtrach, układach całkujących, układach czasowych i innych aplikacjach, w których istotna jest rzeczywista wartość pojemności.
Niewłaściwy wybór może prowadzić do niestabilności obwodu, nadmiernego poziomu szumu i poboru mocy, skrócenia żywotności produktu i nieprzewidywalnych zachowań układu.
Technologie kondensatorów
Kondensatory są dostępne w szerokim zakresie rozmiarów, kształtu, dopuszczalnych wartości napięcia i innych parametrów, które pozwalają wybrać odpowiedni kondensator do każdej aplikacji.Powszechnie stosowane materiały dielektryczne obejmują olej, papier, szkło, powietrze, mikę, folie polimerowe i tlenki metali.
Każdy dielektryk ma określone właściwości, które wpływają na jego przydatność do konkretnego zastosowania. W regulatorach napięcia powszechnie stosowane są trzy główne klasy kondensatorów jako wejściowe i wyjściowe kondensatory bocznikujące: wielowarstwowe ceramiczne, elektrolityczne tantalowe ze stałym elektrolitem i elektrolityczne aluminiowe.
Tabela 1 zawiera porównanie parametrów krytycznych kondensatorów różnych technologii
Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC – Multilayer Ceramic Capacitors) łączą małe rozmiary, niskie wartości ESR i ESL i szeroki zakres temperatur roboczych, dzięki czemu są najlepszym wyborem dla kondensatorów bocznikujących.
Nie są jednak pozbawione wad. W zależności od materiału dielektrycznego, pojemność może się znacznie różnić w zależności od temperatury, stałego napięcia polaryzującego (DC) i poziomu sygnału napięcia zmiennego (AC).
Ponadto, piezoelektryczna natura materiału dielektrycznego może przekształcić drgania lub wstrząsy mechaniczne w napięcie elektryczne szumu. W większości przypadków szum ten jest zwykle rzędu mikrowoltów, ale w skrajnych przypadkach siły mechaniczne mogą generować szum w zakresie miliwoltów.
Oscylatory sterowane napięciem (VCO – Voltage-Controlled Oscillators), pętle z synchronizacją fazy (PLL – Phase Locked Loops), wzmacniacze mocy (PA – Power-Amplifier) w zakresie częstotliwości radiowych (RF – Radio Frequency) i inne układy analogowe są wrażliwe na zakłócenia na szynach zasilających.
Te zakłócenia objawiają się, jako zakłócenia fazowe w układach VCO i PLL, modulacja amplitudy w RF PA i artefakty wyświetlania w systemach ultradźwiękowych, ultrasonografach i tomografach komputerowych i innych aplikacjach, które przetwarzają sygnały analogowe niskiego poziomu.
Pomimo tych niedoskonałości, praktycznie każde urządzenie elektroniczne wykorzystuje ceramiczne kondensatory ze względu na ich niewielkie rozmiary i niski koszt.
W przypadku regulatorów stosowanych w aplikacjach wrażliwych na zakłócenia i/lub szum, projektanci muszą jednak dokładnie ocenić ich skutki uboczne.
Tantalowe kondensatory elektrolityczne, z elektrolitem w fazie stałej
Kondensatory elektrolityczne tantalowe ze stałym elektrolitem są mniej wrażliwe na wpływ temperatury, napięcia i wibracji niż kondensatory ceramiczne
Najnowsze generacje kondensatorów tantalowych wykorzystują przewodzący elektrolit polimerowy zamiast dwutlenku manganu, dzięki czemu wzrasta odporność na prąd rozruchowy, eliminując potrzebę stosowania rezystora ograniczającego prąd.
Niskie wartości parametru ESR to dodatkowa korzyść z tej technologii. Kondensatory tantalowe ze stałym elektrolitem mają stabilną pojemność z temperaturą i napięciem polaryzacji, więc kryteria wyboru kondensatorów muszą uwzględniać tylko tolerancję, obniżanie napięcia w temperaturze pracy i maksymalną wartość ESR.
Przewodzące polimerowe kondensatory tantalowe o niskim ESR są droższe i nieco większe niż kondensatory ceramiczne, ale mogą być jedynym wyborem dla aplikacji, w których zakłócenia wywołane efektami piezoelektrycznymi są niedopuszczalne.
Prąd upływu kondensatorów tantalowych jest znacznie większy niż kondensatorów ceramicznych o tej samej pojemności, co powoduje, że nie nadają się do stosowania w niektórych aplikacjach o niskim poborze prądu.
Wadą technologii kondensatorów tantalowych ze stałym elektrolitem jest większa wrażliwość na wysokie temperatury występujące w procesie lutowania bezołowiowego (Pb), przy czym producenci zazwyczaj określają, że kondensatory nie powinny być narażone na więcej niż trzy cykle lutowania.
Ignorowanie tego wymogu w procesie montażu może powodować długoterminowe problemy z niezawodnością.
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe
Konwencjonalne kondensatory elektrolityczne aluminiowe są zwykle duże i charakteryzują się wysokim ESR i ESL, stosunkowo wysokim prądem upływu i ograniczoną żywotnością mierzoną w ciągu tysięcy godzin.
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe typu OS-CON wykorzystują organiczny półprzewodnikowy elektrolit i katodę z folii aluminiowej do osiągnięcia niskiego współczynnika ESR.
Chociaż są one bliskie kondensatorom tantalowym ze stałym polimerem, faktycznie poprzedzały one kondensatory tantalowe o 10 lat lub więcej.
Ze względu na brak ciekłego elektrolitu i związanego z nim efektu jego wysychania, żywotność kondensatorów typu OS-CON jest lepsza niż konwencjonalnych kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych.
Większość z nich jest ograniczona do pracy do 105°C, ale dostępne są teraz kondensatory OS-CON zdolne do pracy w temperaturze 125°C.
Chociaż charakterystyki kondensatorów typu OS-CON są lepsze niż konwencjonalnych kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych, są one większe i mają wyższą wartość ESR niż kondensatory ceramiczne lub polimerowe kondensatory tantalowe ze stałym elektrolitem.
Podobnie jak w przypadku polimerowych kondensatorów tantalowych, nie występują w nich efekty piezoelektryczne, więc nadają się do stosowania w aplikacjach, które wymagają niskiego poziomu szumu. Autor: Glenn Morita

pełny materiał w pliku pdf

inne polecane artykuły z tej tematyki:

Przyrząd do pomiaru współczynnika ESR – “ESR 1”

Kondensatory elektrolityczne – pomiar rezystancji szeregowej ESR

Kondensatory polimerowo-aluminiowe „pobierają” ciepło

 

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.