Fuente de alimentación Buck/Boost: ¿Qué sucede si usamos una capacitancia a granel mucho mayor (es decir, 10x)?

Si tomamos un convertidor reductor/elevador que se sabe que funciona correctamente, pero aumentamos la capacitancia a granel en 10x, ¿qué podemos esperar que suceda eléctricamente?

Antecedentes: tomé el diseño a continuación de la herramienta WEBENCH de TI. Entrada: 10-14 V, salida 12 V @ 8 A. La capacitancia de entrada total es 68 uF (CBulk, aluminio) + 3*15 uF (Cin, cerámica) = 113 uF.Diseño de referencia

Después de construirlo en un tablero, me di cuenta de que ocasionalmente había algunas inestabilidades graves; especialmente con cargas más altas, o si la corriente de carga cambió repentinamente. Después de mucha depuración, finalmente me di cuenta de que un condensador a granel más grande (1000uF = 1 mF) aguas arriba lo estaba causando. Después de quitarlo, la fuente de alimentación funcionó según lo previsto. En realidad, mi etapa de entrada fue:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Ahora todo está funcionando, pero me gustaría entender mejor antes de continuar:

  1. ¿Por qué el gran capacitor a granel causó la inestabilidad en la salida?
  2. ¿Cómo podemos calcular el límite de tamaño del condensador a granel?
  3. ¿El límite de tamaño del capacitor a granel es una función de los capacitores de salida?
Poco. Sin embargo, qué está alimentando la entrada y cómo manejará esa parte el aumento de la irrupción, esa es la pregunta.
Estoy un poco sorprendido por esto, pero supongo que no es del todo inesperado. Un suministro de conmutación, necesariamente, tiene una resistencia negativa equivalente de Thevanin en su entrada. Simplemente grafica la corriente frente al voltaje para cualquier cosa que consuma energía constante, te saltará a la vista. Por lo tanto, no puede estar completamente alegre al conectar uno a una carga.
Todas las apuestas están canceladas y pueden suceder cosas extrañas si el diseño real de su PCB no sigue la plantilla de la placa del fabricante. Si usted, Dios no lo quiera, usa una placa de prueba, simplemente olvídelo.
¿Está seguro de que las inestabilidades se encuentran en su suministro y no en la fuente primaria? ¿Qué está suministrando Vin? 1mF sería una carga bastante grande para un conmutador.
"En realidad, mi etapa de entrada fue: ..." - ¿ realmente está usando un IRF9530 para cambiar más de 8 amperios? ¿ Cuál es exactamente la fuente de alimentación?
@Ale..chenski, la fuente de alimentación está diseñada lo mejor que pude para que coincida con su diseño de referencia ... además del condensador a granel adicional de 1000uF, que está cerca de la entrada a la PCB (aproximadamente a 3 pulgadas de distancia).
@EdgarBrown, esa es una buena pregunta y algo para investigar más a fondo... Probé 2 fuentes de alimentación, una fuente de alimentación para computadora de 1300 W y una fuente de alimentación de sobremesa de CC de 180 W.
@BruceAbbott arreglado; utilizando un PMOS DMP3010.
@Jim, el suministro de sobremesa es muy probable que sea lineal y esté diseñado para manejar cargas considerables. Es poco probable que sea la causa.
¿Podría incluir las especificaciones/hoja de datos de la tapa a granel que estaba causando las oscilaciones?

Respuestas (1)

Es poco probable que el problema sea el valor del capacitor en sí, sino sus parásitos que interactúan con la impedancia negativa del convertidor de conmutación. Más específicamente, la inductancia en serie equivalente del capacitor crea una resonancia de baja frecuencia que es excitada por los transitorios y amplificada por el SPS.

Un capacitor electrolítico de aluminio tiene valores relativamente altos de resistencia en serie (que es contradictoriamente bueno en este caso) e inductancia. Un electrolítico de aluminio de 1 mF puede tener del orden de 5 nH de ESL (y 20 mΩ ESR) que, cuando se combina con su capacitancia, crea una serie RLC que resuena a ~70 kHz. Una frecuencia lo suficientemente baja para interactuar con su SPS.

Con una carga de 60 W y una entrada de 12 V, su SPS presenta una resistencia negativa (no lineal) de aproximadamente -400 mΩ. Esta resistencia negativa es considerablemente mayor que el resto de elementos disipadores de esa red, los 10mΩ del transistor de paso y los 20mΩ de ESR.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Como descubrió, reducir el capacitor aumentaría la frecuencia de resonancia, lo que es menos probable que interactúe con el SPS. Pero, si necesita ese nivel de almacenamiento de energía, puede lograr un resultado similar utilizando varios capacitores en paralelo y/o agregando perlas de ferrita o resistencias pequeñas con las características de disipación adecuadas.

Sin embargo, para asegurarse absolutamente de que el problema no vuelva a ocurrir, necesitaría modelar la impedancia no lineal real del SPS para que pueda tener una mejor idea de qué rango de valores sería aceptable (por ejemplo, entradas de voltaje más bajas y salidas de potencia más altas). empeorar el problema).

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