Входные керамические конденсаторы могут вызывать выбросы напряжения питания

Один из последних трендов в проектировании портативных устройств — это применение керамических конденсаторов для фильтрации питания DC-DC преобразователей. Керамические конденсаторы часто выбираются из-за их малых габаритов, малого значения эквивалентного последовательного сопротивления (прим. ЭПС или ESR) и хорошей способностью отдавать пиковые токи. Также в последнее время их применяют взамен танталовым конденсаторам из-за возможного замыкания накоротко последних (прим. при не оптимальном режиме работы возможно пробитие накоротко танталовых конденсаторов и они могут возгораться впоследствии).

К сожалению, керамические конденсаторы для фильтрации питания на входе могут вызывать проблемы. Вследствие резкого шага напряжения (прим. от 0 В до Uпит.) керамический конденсатор вызывает большой всплеск тока, который сохраняет энергию в паразитной индуктивности проводов. Создаётся большой выброс напряжения, когда происходит передача энергии из этой индуктивности в керамический конденсатор. Эти выбросы могут достигать удвоенного значения напряжения питания!

Внешний адаптер питания на ваш риск

Проблема выбросов во входном напряжении связана с последовательностью включения питания. Если выносной адаптер питания подключить к переменной сети первым и только после этого подключить портативное устройство к адаптеру питания, то возможно повреждение внутренних преобразователей напряжения в устройстве из-за выброса во входном напряжении питания.

Создание тестового стенда

Для наглядного разбора проблемы возьмем обычный адаптер питания для ноутбука с выходным напряжением 24 В и типичный преобразователь напряжения, которые устанавливаются на входе ноутбуков. Синхронный понижающий преобразователь напряжения для преобразования входных 24 В в 3,3 В.  Блок-схема тестового стенда показана на Рисунке 1. Индуктивность Lout здесь представляет собой аналог паразитной индуктивности проводов и возможный выходной дроссель ЭМИ фильтра в адаптере питания. Выходной конденсатор Cout обычно порядка 1000 мкФ, и для тестового стенда можно принять его ЭПС порядка 10…30 мОм. Эквивалентная схема выхода адаптера питания и входа преобразователя напряжения в итоге является большим колебательным контуром с основными компонентами: Lout, Cin и общим значением ЭПС (оно включает в себя ЭПС конденсатора Cin, сопротивление проводов и сопротивление индуктивности Lout). Входной конденсатор Cin должен иметь низкое значение ЭПС для поглощения пульсаций входного тока. Типичное значение этого конденсатора в ноутбуках лежит в пределах 10…100 мкФ. Точное значение ёмкости конденсатора зависит от многих факторов, но один из основополагающих — это минимизация пульсаций тока следующего за ним преобразователя напряжения. Обычно значение пульсаций тока по входу лежит в пределах 1…2 А. Следовательно, необходимая ёмкость для керамических конденсаторов должна быть в пределах 10…22 мкФ, для танталовых конденсаторов 2-3 шт. по 22 мкФ или 1-2 шт. по 22 мкФ конденсаторов типа OS-CON.

B39-1Рисунок 1. Схема соединения адаптера питания и портативного устройства

Процесс включения

Когда включается переключатель SW1, начинается небольшой хаос. Так как адаптер питания уже был включен ранее, на его выходе есть 24 В вкупе с низким значением ЭПС выходного конденсатора Cout. На другой же стороне входной конденсатор Cin имеет потенциал 0 В. Опишем, что происходит с момента включения переключателя. Приложенное напряжение на вход устройства вызовет ток через индуктивность Lout. Начнётся заряд конденсатора Cin до значения выходного напряжения адаптера питания — 24 В. В какой-то момент заряд прекратится и напряжение на конденсаторе Cin достигнет 24 В. Когда напряжение на конденсаторе Cin достигнет 24 В, энергия, сохранённая в индуктивности Lout, продолжит поступать, и напряжение будет становиться более 24 В. Напряжение на Cin в конечном итоге достигнет своего пика, а затем вернется к 24 В, и какое-то время будут происходить его колебания около значения 24 В. Реальная форма колебаний и выброса зависит от применённых компонентов. Также стоит иметь в виду, что если захотите просимулировать работу подобной схемы, то реальные компоненты крайне редко ведут себя линейно в подобных условиях работы. В качестве примера: конденсаторы могут менять своё значение ёмкости от условий работы (керамические конденсаторы с диэлектриком Y5V теряют до 80% своей ёмкости при номинальном напряжении на них)! Так же, стоит учитывать, что значение ЭПС конденсатора зависит от скорости нарастания напряжения на нём. Как и значение индуктивности ЭМИ фильтра может значительно подать при переходных процессах из-за насыщения магнитного материала.

Тестирование

Переходные процессы на входе с типичными значениями Cin и Lout для ноутбуков показаны на Рисунке 2. Осциллограммы сделаны для значений конденсатора Cin 10 мкФ и 22 мкФ, а также значений индуктивности Lout 1 мкГн и 10 мкГн. Осциллограмма R1 показывает наихудший случай для значений 10 мкФ и 1 мкГн. Пиковое значение выброса напряжения достигает 57,2 В для номинального входного напряжения 24 В. Преобразователь напряжения может не выдержать повторов выброса напряжения до 57,2 В!

B39-2Рисунок 2. Выброс напряжения после керамического конденсатора

Канал Lout (мкГн) Cin (мкФ) Пиковое значение Vin (В)
R1 1 10 57,2
R2 10 10 50
R3 1 22 41
R4 10 22 41

Таблица 1. Пиковые значения напряжений, показанные на Рисунке 2

Осциллограмма на R2 с 10 мкФ и 10 мкГн выглядит немного лучше. Пиковое значение по прежнему около 50 В. Плоская часть на осциллограмме R2, следующая за пиком, показывает, что МОП-транзистор (прим. MOSFET) M1, стоящий в преобразователе напряжения, находится в лавинном пробое и поглощает выброс энергии. Осциллограммы R3 и R4 имеют пик около 41 В, для обоих ёмкость конденсатора равна 22 мкФ, а индуктивность равна 1 мкГн и 10 мкГн соответственно.

Броски входного напряжения с различными компонентами на входе

Различные типы конденсаторов на входе имеют различные переходные процессы, что показано на Рисунке 3. Опорная осциллограмма с использованием керамического конденсатора на 22 мкФ и индуктивности 1 мкГн показана на R1, пиковое значение выброса = 40,8 В. На осциллограмме R2 показан вариант, если параллельно к конденсатору добавлен супрессор на 30 В. Выброс входного напряжения немного ограничен, но не устранён. В этом случае очень сложный выбор получается: необходимо ограничить выброс, чтобы он был достаточно низок для защиты входных преобразователей, и иметь хороший запас от входного напряжения (24 В) для исключения ложного пробоя супрессора. Выбранный супрессор P6KE30A имеет достаточно низкое минимально возможное пробивное напряжение (прим. 28,5 В), что близко к рабочему напряжению 24 В. К сожалению, выбор супрессора с более высоким напряжением пробоя приведёт к бесполезности его в качестве ограничителя выброса переходного процесса.

Осциллограммы R3 и R4 сняты с дополнительным 22 мкФ, 35 В танталовым конденсатором ф. AVX, серии TPS и с 22 мкФ, 30 В ф. Sanyo, серии OS-CON соответственно. С этими двумя конденсаторами уровни выбросов становятся приемлемыми. Однако эти конденсаторы имеют значительные габариты, больше керамических конденсаторов, и требуется более одного параллельно для обеспечения приемлемых пульсаций тока.

B39-3Рисунок 3. Броски входного напряжения с различными компонентами на входе

Канал Cin (мкФ) Тип конденсатора Пиковое значение Vin (В)
R1 22 Керамический 40.8
R2 22 Керамический + варистор на 30В 32
R3 22 Танталовый, ф. AVX, серия TPS 33
R4 22 ф. Sanyo, серия OS-CON 35

Таблица 2. Пиковые значения напряжений, показанные на Рисунке 3

Оптимизация входных конденсаторов

Осциллограммы, показанные на Рисунке 3, показывают, как меняются переходные процессы в зависимости от типа входного конденсатора. Оптимизация входных конденсаторов требует хорошего понимания, что происходит во время переходных процессов. Даже обычная резонирующая RLC цепь, показанная на Рисунке 1, может быть не достаточно демпфирована (прим. иметь коэффициент демпфирования или ζ < 1), иметь критический коэффициент демпфирования (прим. ζ = 1) или избыточно демпфирована (прим. ζ > 1, наглядное отображение влияния коэффициента демпфирования). Из-за цели, которая состоит в том, чтобы минимизировать размеры входного фильтра, итоговая схема имеет недостаточный коэффициент демпфирования. Однако реально требуется схема с критическим коэффициентом демпфирования. Такая схема входного фильтра будет прекрасно подходить, т. к. входное напряжение будет без выбросов или провалов.

Чтобы входной фильтр получился небольших габаритов, желательно использовать керамические конденсаторы, т. к. они могут отдавать значительный пульсирующий ток и имеют низкое ЭПС. Вначале необходимо определиться с минимальным значением входного конденсатора (прим. на основании потребляемого тока устройством и возможных пульсаций тока). В данном примере керамического конденсатора на 22 мкФ 35 В должно быть достаточно. Переходные процессы с применением только этого конденсатора на входе показаны на осциллограмме R1, Рисунок 4. Очевидно, что будет проблема, если используются компоненты с максимальным напряжением на 30 В. Для получения оптимальной переходной характеристики необходимо демпфировать входные цепи. На осциллограмме R2 показано, что будет, если подключить параллельно к существующему конденсатору еще последовательную RC цепь из аналогичного керамического конденсатора на 22 мкФ и резистора с сопротивлением 0,5 Ом. Теперь выброс входного напряжения не превышает 30 В. Критическое демпфирование так же можно получить, если подключить конденсатор с большим значением ЭПС (как альтернатива резистору 0,5 Ом). Осциллограмма R3 показывает форму переходного процесса с керамическим конденсатором на 22 мкФ и параллельным танталовым конденсатором на 22 мкФ ф. AVX, серия TPS.

B39-4
Рисунок 4. Оптимизация входных компонентов для снижения величины выброса

Канал Снаббер Пиковое значение Vin (В)
R1 Отсутствует 40,8
R2 Керамический конденсатор на 22 мкФ + резистор на 0.5 Ом последовательно 30
R3 Танталовый конденсатор на 22 мкФ, ф. AVX, Серия TPS 33
R4 Супрессор на 30 В, P6KE30A 35
CH1 Электролитический на 47 мкФ, 35 В 25

Таблица 3. Пиковые значения напряжений, показанные на Рисунке 4 с входным керамическим конденсатором на 22 мкФ и снаббером

Осциллограмма R4 показывает форму входного напряжения при применении супрессора на 30 В. В заключение идеальный вариант формы входного напряжения показан внизу, на осциллограмме CH1. Стоит отметить, что это ещё и самое бюджетное решение! В качестве снаббера в последнем случае используется электролитический конденсатор 47 мкФ 35 В ф. Sanyo (35CV47AXA). Хорошо подобранные значения ёмкости и ЭПС этого конденсатора обеспечивают наилучшее демпингование выброса от керамического конденсатора 22 мкФ и индуктивности 1 мкГн (Lout). Конденсатор 35CV47AXA имеет ЭПС около 0.44 Ом и допустимый среднеквадратичный (прим. RMS) ток, равный 230 мА. Очевидно, что этот конденсатор не должен использоваться в схемах со значениями среднеквадратичных пульсаций тока 1-2 А без керамического конденсатора на 22 мкФ. Как дополнительный плюс габариты у этого электролитического конденсатора довольно малы — 6*6,3 мм.

Вывод

Выбросы входного напряжения питания — это вопрос схемотехники и их нельзя игнорировать. Схемотехнические решения для предотвращения выбросов напряжения довольно просты и эффективны. Если этому вопросу было уделено должное внимание и найдено оптимальное решение, то ёмкость входных конденсаторов может быть уменьшена, как и уменьшен итоговый размер и стоимость устройства, без ухудшения работоспособности последнего.

Оригинал статьи

Реклама

Добавить комментарий

Please log in using one of these methods to post your comment:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s