Condensadores de salida de convertidores DC-DC

Evitaría el tantalio a menos que no tenga otra opción; uno de sus modos de falla más comunes es estallar en llamas.

No sé dónde leíste que los electrolíticos de aluminio tienen una buena ESR en comparación con la cerámica, pero simplemente no la tienen; tienden a tener algunos de los ESR más altos de cualquier tipo de capacitor. Incluso las tapas de aluminio de baja ESR pueden tener una ESR de varios órdenes de magnitud más alta que los condensadores de película o MLCC comparables.

Para una aplicación como esta, usaría un MLCC ya que el valor exacto de la capacitancia no importa y no es demasiado grande; Los MLCC de 10 μF son bastante baratos. Sin embargo, si necesita mucho más que eso, el electrolítico de aluminio sería el camino a seguir.

También me gustaría señalar que pasó por alto un tipo de capacitor muy importante: los capacitores de película. Las tapas de película tienden a estar disponibles en capacitancias más grandes que las cerámicas, son más estables con la temperatura y el voltaje aplicado que las cerámicas de alto κ, están disponibles en clasificaciones de voltaje y temperatura más altas que los MLCC o los electrolíticos, y tienen una ESR comparablemente baja a la cerámica. No valdría la pena el precio de usar solo un condensador de filtro de salida, pero siempre que necesite algo estable y de alto rendimiento, la película suele ser la mejor opción.

El concepto de un límite de carga para un convertidor DCDC tiene dos factores. Pérdida directa + almacenamiento masivo y efectos en la corrección de errores de retroalimentación. Las ventajas y desventajas dependen del rango de carga, el exceso y las tolerancias de ondulación. Las opciones de límite afectan la ESR frente a la frecuencia, las pérdidas frente al tamaño, la calidad y la constante de tiempo de la ESR*C.

El ESR*C=tau determina la tasa de cambio de voltaje por la corriente que puede manejar, de modo que la salida es dV/dt= I * (1/C + ESR) = (1+ESR * C)/C. Las tapas electrónicas de baja ESR tienen un tau = <10 us, mientras que las cerámicas pueden ser << 1 us, pero debido a la constante dieléctrica k será más pequeña en C para el mismo tamaño de paquete, por lo que generalmente se eligen tanto las tapas electrónicas como las cerámicas, a menos que elija muchas cerámicas. mayúsculas en paralelo.

El otro concepto es que el ancho de banda de la retroalimentación de voltaje para la corrección de errores también está determinado por tau y esto puede introducir un cambio de fase que reduce el margen de fase en el bucle, por lo que se requiere una compensación de pendiente o derivación parcial para restaurar la estabilidad en el bucle.

El tercer concepto es la eficiencia del almacenamiento y las pérdidas en ESR durante las cargas que se extraen de la tapa como un dispositivo de almacenamiento temporal mientras el convertidor DCDC intenta cargar las tapas y alimentar la carga al mismo tiempo, de modo que el error de voltaje sea mínimo. cuando se agrega o elimina una carga escalonada y la energía en la tapa es suficiente para amortiguar el voltaje con una oscilación de corriente para que el controlador DCDC no subcargue o sobrecargue el capacitor debido a la latencia o subestimación/sobreestimación de la corriente de demanda y dar como resultado más error al amplificar el error + o - en una corrección mayor de la necesaria en la dirección opuesta.

Por lo tanto, en última instancia, la ganancia del bucle de retroalimentación Kd, Kp debe examinarse y proporcionar cierta compensación de la ondulación del voltaje de salida para permanecer estable si los límites de salida están "dentro del bucle de control". Aislar las tapas con una perla de ferrita fuera del bucle también debe examinar la Q de este filtro sin carga cuando Q es la más alta con cualquier filtro de la serie LCR.

Cómo lograr todas estas compensaciones es algo complejo y diferente para cada diseño, pero comprender estas compensaciones es el comienzo hacia diseños DCDC inteligentes al examinar y luego impulsar la impedancia a los componentes reactivos y la retroalimentación con una salida en cortocircuito o una salida casi en cortocircuito debido a la ESR. de las gorras.

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• El tantalio es menos favorable, pero algunos tipos más caros pueden cumplir con los requisitos.

• Es poco probable que las tapas de alumbre clasificadas para corriente de ondulación a 120 Hz sean del tipo ESR bajo a 100 kHz. Estos tienen tau> 100 us típicamente y se usan como tapas rectificadoras de línea a granel.

Como dijeron otros, las principales consideraciones de diseño no están definidas en su pregunta.

• ¿Cuál es la vida útil del circuito (las tapas de electrolito de aluminio se utilizan mucho como un "componente limitante de la vida útil", la cerámica y el tantalio tienen una vida útil mucho mayor)?
• Qué temperaturas espera para su dispositivo (al electrolito de aluminio no le gustan las altas temperaturas, la cerámica puede tener una gran influencia en la temperatura, por lo que el tantalio puede entrar en escena cuando se necesita un rango de temperatura alto).
• ¿Es posible mitigar los riesgos del tantalio (en caso de duda, ni siquiera los considere, los fuegos artificiales son agradables pero no los quiere inesperados)?
• ¿Es el costo o el tamaño un factor? ¿Se necesita mayor calidad? ¿Requisitos de vibración/choque? Muchos otros factores que pueden empujar su decisión.

Las tapas cerámicas y electrolíticas tienen sus ventajas y desventajas.

Las tapas electrolíticas tienen una ESR más alta que las tapas de cerámica, pero obtienes tapas electrolíticas con una tonelada de capacitancia. Son buenos para el almacenamiento a granel.

Los capacitores cerámicos tienen una ESR muy baja pero no vienen con una gran capacitancia (como 100uF, por ejemplo). Debido a su bajo ESR, son buenos para la supresión del ruido de salida.

Los diseñadores utilizan condensadores cerámicos y electrolíticos en paralelo para obtener los beneficios de ambos tipos de condensadores. Los capacitores electrolíticos vienen con una gran capacitancia y se encargan del almacenamiento a granel, mientras que los capacitores cerámicos se usan para suprimir el ruido en la salida.

Si todo lo que necesita es 10uF de capacitancia de salida, solo use cerámica. También puede usar condensadores de tantalio, pero existen algunos problemas de seguridad. Si necesita una gran cantidad de capacitancia de salida (como 50 uF, 100 uF o más), use capacitores electrolíticos y cerámicos en paralelo.