DC tezgah güç kaynağı için çıkış kapasitörünü nasıl boyutlandırırım?

Bir DC tezgah güç kaynağı tasarlıyorum ve çıkış kapasitörünü seçme konusuna geldim. Bir dizi ilgili tasarım kriteri belirledim, ancak bunları mantıklı bir tasarım sürecine dizmeye çalıştığım için akıl yürütmem hala daireler içinde biraz ilerliyor.

İşte size bunun ne olacağına dair bir fikir veren çalışma şeması. Sabit akım devresi gösterilmiyor.

İşte şimdiye kadar anladığım düşünceler / ilişkiler:

• Hızlı yükleme adımı sırasında, çıkış voltajı değişim alt / aşma) kontrol döngüsünün yanıt vermesi için gereken aralıkta kontrol eder. Genel olarak, daha büyük bir kondansatör daha küçük bir alt / üst atış üretir.$C_{out}$

• kontrol döngüsünün frekans yanıtına katılır. Yük direnciyle etkileşimi ilebirdireğeve kendi etkili seri direnci (ESR) ile etkileşimi ilesıfırakatkıda bulunur.$C_{out}$

• Genel olarak, daha hızlı (daha yüksek bant genişliği) kontrol döngüsü, belirli bir alt aşımı elde etmek için gereken çıkış kapasitansını azaltır.

• ESR tarafından ürettiği alt / aşma kısmı ( adımda dikey bit sağ) daha hızlı bir kontrol döngüsü ile azaltılamaz. Boyutu sadece akımın (adım boyutu) ve ESR'nin bir fonksiyonudur.$C_{out}$

• Besleme tarafından tahrik edilen devre, örneğin bağlı bir devredeki güç rayı baypas kapasitörlerinin toplamı gibi ek kapasitansa katkıda bulunabilir ve sıklıkla katkıda bulunur. Bu kapasitans ile paralel olarak görünür . Eşit veya değerinden fazla olabilir tasavvur edilemeyen değil Cı O u t neden Cı O U T daha aşağı doğru bir oktav veya taşımak kutup. Örneğin, güç kaynağının performansı bu durumda zarif bir şekilde düşmeli ve salınıma düşmemelidir.$C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$

• Çıkış kapasitansında depolanan enerji, güç kaynağının akım sınırlama devresinin kontrolü dışındadır. Büyük bir çıkış kapasitörü kullanmak, kontrol döngüsü tasarımındaki bazı günahları gizlerken, bağlı devreyi kontrolsüz akım dalgalanma riskine maruz bırakır.

• Voltaj ayar noktası düşürüldüğünde, hiçbir yük takılı olmasa bile çıkış kondansatörünün aşağı programlama hızı spesifikasyonunu karşılayacak kadar hızlı bir şekilde boşaltılması gerekir. Çıkış kapasitansı ve belirtilen aşağı programlama hızı ile orantılı bir deşarj yolu bulunmalıdır. Bazı durumlarda çıkış voltajı örnekleme devresi (rezistif bölücü) yeterli olabilir; diğer durumlarda bir şönt direnci veya başka bir devre özelliği gerekli olabilir.

Benim sorum şu: "DC tezgah güç kaynağı tasarımım için çıkış kapasitörünü seçmeye nasıl yaklaşırım?"

En iyi tahminim şudur:

• $C_{out}$
• Tam yük basamağı (0-300mA) için maksimum çıkış voltajında ​​(30V), alt özelliklerden (örneğin 50mV maks, 25mv tercih edilir) geriye doğru çalışın ve mevcut kapasitörlerin ESR'sini göz önünde bulundurarak ne tür bant genişliğine ihtiyacım olacağını görün dayanağı spec içinde tutmak.
• $C_{out}$

Ben doğru yolda mıyım? Daha deneyimli uygulayıcılardan herhangi bir rehberlik çok minnetle alınacaktır :)

Yine de tüm devrenin LTspice'de olduğu görülüyor. Bir başlangıç ​​analizi, bilmek istediğiniz çoğu şeyi size söyleyecektir. "Büyük" (45 V) DC kaynağınızı pals tanımı olan bir kaynakla değiştirin, yani kısa bir süre sonra 0 V'de başlayan ve kısa bir süre içinde (10 ... 100 ns) 45 V'a çıkan bir kaynak. (örneğin 1 µs). Bu şekilde, tüm kapasitörler elektriksiz bir devre için başlatılır ve regülatörünüzün çıkış kapasitörünü şarj etmenin en iyisi olduğunu görürsünüz. Bu kurulumu kullanarak, tüm resmi elde edersiniz: İlk olarak, şarjsız çıkış kapasitörü çıkışınızda ölü bir kısa devre üretir, bu nedenle regülatörünüzün maks. Geçerli. Çıkış kapasitörünüzdeki voltaj istenen değere ulaştığında, olası herhangi bir aşımı da gözlemleyebileceksiniz.

Alternatif bir yaklaşım, çıkışa 0 A ile maks. istenen çıkış akımı.

Genel bir kural olarak, 1 A maks. tasarlanan çıkış akımı ve denemenin (".step param") altında ve üstünde değerler (10 uF, 47 uF, 100 uF, 470 uF; 4.7 mF, 10 mF). Ayrıca, işler çok kritik hale gelmez: Geçiş transistörünüz bir NPN'dir ve bu tasarım temelde stabildir (PNP geçiş transistörü kullanan bir LDO'nun aksine).Devrenizin kararlılık analizi gerçekten iyi bir fikir olabilir; şemanız ilk bakışta ortak bir toplayıcı geçiş transistörüne sahip doğrusal bir regülatöre çok benzese de, gerçekten ortak bir yayıcı devreniz var ve bunlar kararsız olma eğilimindedir. Bunun nedeni, ortak bir kolektör amplifikatörünün çıkış empedansının, transistörün temel sürüş empedansının, transistörün beta'sına bölünmesi ve yükün değişmesi durumunda bu değerin önemli bir şekilde değişmemesi ve düşük olmasıdır . Öte yandan, ortak bir yayıcı amplifikatörün çıkış empedansı yükün kendisi tarafından tanımlanır, bu da en iyi şekilde belirli bir aralıkta kalır, ancak elbette voltaj regülatörünün kendisinde tasarlanamaz. (*)

İşte doğrusal bir regülatörün stabilitesi hakkında gerçekten iyi bir açıklamaya sahip bir kaynak , ancak örneğimizde "PNP" ve "NPN" yi değiştirmeliyiz, çünkü burada aynı devre ile uğraşmıyoruz (!). Geçiş transistörünün lineer regülatörlere bağlandığı "olağan" yol için alıntı şu şekildedir: "Bir LDO regülatöründeki [...] PNP transistörü, ortak emitör denilen ve ortak çıkışa göre daha yüksek çıkış empedansına sahip bir konfigürasyona bağlanır NPN regülatöründe kolektör konfigürasyonu. " (Ulusal Yarı İletken - şimdi TI - app'note AN-1148, bölüm 9)

(*) Cevabın ilk versiyonunu düzenlemek zorunda kaldım çünkü bazı önemli sorunları gözden kaçırmıştım. Diğer yazılara yapılan bazı yorumlarda görülebileceği gibi, sorun eski laboratuar ekipmanlarını tamir etmekle ilgilidir ve asla bir şeyleri düzeltmekten yeterince öğrenemezsiniz. İşte Jim Williams'ın ANALOG DEVRE TASARIMI SANAT ve BİLİMİ kitabında yayınlanan "Sabitlemenin Önemi" makalesinden bir alıntı:

Kendini kandırmakla ilgili kısmı nasıl sevdim ...

Temel olarak, yük için, eşdeğer direnci ve eşdeğer kapasitansı (çıkış kapağınıza paralel olarak) açısından en iyi ve en kötü durumları düşünmeniz gerekir. Kesinlikle herhangi bir yük için tasarım yapamazsınız.

Yük direncinin aşırı değerleri için, geçiş elemanınızın pişirebileceği maksimum akım tarafından belirlendiği için, bazı minimum değerlere karar vermek yeterince kolaydır. Ancak aynı zamanda yüksek empedans yükünü de dikkate almanız gerekir, çünkü çıkış direğini düşük frekanslara çeker, muhtemelen kararlılığı tehlikeye atar.

Girişinde büyükçe bypass / tank kapasitörleri olan bir kart takarsanız, regülatörünüz üzerindeki etkilerini göz ardı edemezsiniz. DC girişlerinde 470-1000uF olan kartlar çok zorlanmadan karşılaşılabilir.

Ayrıca, uygulamada, regülatörünüz aynı olumsuz ve pozitif geçişlere tepki vermeyecektir. Hem pozitif hem de negatif yük dökümünde adım yanıtını değerlendirmeniz gerekir. Kullandığınız opamp için SPICE modelinin bu farkı tahmin etmek / simüle etmek için yeterince iyi olup olmayacağından endişe etmelisiniz.

Daha fazla okuma için Rincon-Mora'nın LDO'lar hakkındaki kitabını öneriyorum. Bildiğim kadarıyla, doğrusal regülatörler hakkındaki en son [yani basılı] kitap ve bazı endüstri deneyimleri var (TI'de çalıştı). Kitabın ilk bölümünde teori / formüller ve geçici yanıtı hesaplamak / tahmin etmek için bazı örnekler vardır ve sistem tasarımı konusunda istikrar sağlayan bir bölüm vardır. Ne yazık ki, kitap tahta seviyesindeki düzenleyicilere odaklandığından, kitaptaki (ancak teori değil) işlenmiş tasarım örnekleri genellikle yük kapasitansının düzenleyicinin çıkış kapağından [en azından] daha düşük bir büyüklük sırası olduğunu varsayar. . Tasarım yaklaşımı mantrası temel olarak "doğrusal bir regülatörün tasarım döngüsü genellikle çıktıda başlar ve girdi ile biter".