Керамические входные конденсаторы могут вызывать броски напряжения

Радиолоцман №3-4/2024 ст.30

В последнее время при разработке порта­тивных устройств для фильтрации входных напряжений DC/DC преобразователей стали использовать керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы часто выбирают из-за их небольших размеров, низкого экви­валентного последовательного сопротивле­ния (ESR) и способности пропускать токи с большими среднеквадратичными значения­ми. Кроме того, иногда разработчики обраща­ют внимание на керамические конденсаторы из-за дефицита танталовых конденсаторов.

К сожалению, использование керамичес­ких конденсаторов для фильтрации входных напряжений может вызвать проблемы. Пода­ча ступенчатого напряжения на керамичес­кий конденсатор вызывает большой скачок тока, который накапливает энергию в индук­тивностях силовых выводов. Когда накоплен­ная энергия передается из этих индуктивнос­тей в керамический конденсатор, возникает большой всплеск напряжения. Эти всплески напряжения могут вдвое превышать ампли­туду входной ступени.

Подключайте настенный адаптер на свой страх и риск

Проблема бросков входного напряжения связана с последовательностью включения питания. Если настенный адаптер сначала включен в розетку сети переменного тока, подключение его выхода к портативному устройству может вызвать броски входного напряжения, способные повредить DC/DC- преобразователи внутри устройства.

Построение тестовой схемы

Для иллюстрации проблемы типичный 24- вольтовый настенный адаптер, используемый в ноутбуках, был подключен к входу типичного DC/DC преобразователя ноутбука. В качестве DC/DC преобразователя использовался син­хронный понижающий регулятор, преобразу­ющий входное напряжение 24 В в 3.3 В. Блок-схема тестовой установки показана на Рисунке 1. Дроссель L_OUT — это сосредото­ченный эквивалент индуктивности выводов и дросселя выходного фильтра электромагнитных помех, который может быть в некоторых настенных адаптерах. Выходной конденсатор настенного адаптера обычно имеет емкость порядка 1000 мкФ; для наших целей можно предположить, что он имеет низкое значение ESR — в диапазоне от 10 мОм до 30 мОм. Экви­валентная схема настенного адаптера и вход­ной цепи DC/DC преобразователя фактичес­ки представляет собой последовательный резонансный контур, доминирующими компо­нентами которого являются L_OUT, C_IN и сосре­доточенный эквивалент ESR, учитывающий ESR конденсатора CIN, сопротивление выво­дов и сопротивление L_OUT.

Входной конденсатор CIN должен быть устройством с низким ESR, способным выдер­живать пульсации входного тока. В типичном ноутбуке емкость этого конденсатора нахо­дится в диапазоне от 10 мкФ до 100 мкФ. Точ­ное значение емкости конденсатора зависит от ряда факторов, но главное требование — он должен выдерживать пульсации входного тока, создаваемые DC/DC преобразователем. Диапазон пульсаций входного тока обычно составляет от 1 A до 2 A. Таким образом, вход­ной конденсатор CIN может состоять из одного керамического конденсатора емкостью от 10 до 22 мкФ, из двух-трех танталовых конденса­торов емкостью 22 мкФ или из одного-двух алюминиевых конденсаторов с органическим электролитом (OS-CON) емкостью 22 мкФ.

Включение выключателя

Когда выключатель SW1 на Рисунке 1 замыкается, начинается хаос. Поскольку настенный адаптер уже подключен к сети, на его низкоимпедансном выходном конденса­торе присутствует напряжение 24 В. В то же время, входной конденсатор CIN находится под напряжением 0 В. То, что происходит с нулевого момента времени, довольно просто. Приложенное входное напряжение вызывает протекание тока через LOUT. Конденсатор CIN начнет заряжаться, и напряжение на нем будет расти, приближаясь к входному напря­жению 24 В. Как только напряжение на CIN достигнет выходного напряжения настенного адаптера, энергия, накопленная в L_OUT, под­нимет напряжение на C_IN еще выше 24 В. В конечном итоге напряжение на CIN достигнет своего пика, а затем снова упадет до 24 В. Напряжение на конденсаторе C_IN может неко­торое время колебаться вокруг значения 24 В. Фактическая форма напряжения будет зави­сеть от элементов схемы.

Если вы собираетесь провести моделиро­вание этой схемы, имейте в виду, что элемен­ты реальной схемы очень редко бывают линейными в переходных режимах. Напри­мер, может измениться емкость конденсато­ров (керамические конденсаторы Y5V при номинальном входном напряжении потеряют 80% первоначальной емкости). Кроме того, ESR входных конденсаторов зависит от вре­мени нарастания напряжения. Индуктив­ность дросселей подавления электромагнит­ных помех также может падать во время пере­ходных процессов из-за насыщения магнит­ного материала.

Тестирование портативного приложения

Броски входного напряжения при типич­ных значениях C_IN и L_OUT, используемые в ноутбуках, показаны на Рисунке 2 и в Табли­це 1. На Рисунке 2 показаны формы входного напряжения в переходных режимах для зна­чений емкости C_IN 10 мкФ и 22 мкФ и значений индуктивности L_OUT 1 мкГн и 10 мкГн.

Верхняя осциллограмма показывает наи­худший переходный процесс с конденсатором 10 мкФ и дросселем 1 мкГн. При входном постоянном напряжении 24 В напряжение на C_IN достигает максимума при 57.2 В. Много­кратного воздействия напряжения 57.2 В DC/DC преобразователь может не выдержать.

Форма напряжения для емкости 10 мкФ и индуктивности 10 мкГн (осциллограмма R2) выглядит немного лучше. Пиковое значение все еще составляет около 50 В. Плоская часть осциллограммы R2, следующая за пиком, указывает на то, что внутренний MOSFET M1 синхронного выпрямителя DC/DC преобразователя на Рисунке 1 лави­нообразно принимает на себя удар энергии. Осциллограммы R3 и R4 достигают пика при напряжении около 41 В, и приведены для емкости 22 мкФ с дросселями 1 мкГн и 10 мкГн, соответственно.

Броски входного напряжения с различными входными элементами

Формы напряжений в переходном режиме зависят от типов входных конденсаторов, как показано на Рисунке 3 и в Таблице 2. Опорный сигнал для конденсатора 22 мкФ и дрос­селя 1 мкГн показан на верхней осциллограм­ме (R1); его пик составляет 40.8 В.

Осциллограмма R2 на Рисунке 3 показы­вает, что происходит, когда на вход добавля­ется ограничитель бросков напряжения (суп­рессор). Бросок входного напряжения огра­ничивается, но не устраняется. Очень слож­но подобрать напряжение пробоя супрессо­ра таким, чтобы оно было достаточно низким для защиты DC/DC преобразователя и доста­точно далеким от рабочего уровня напряже­ния входного источника (24 В). Используе­мый супрессор P6KE30A был слишком бли­зок к тому, чтобы начать проводить ток при напряжении 24 В. К сожалению, использова­ние супрессора с более высоким номиналь­ным напряжением не обеспечит достаточно низкого напряжения ограничения.

Осциллограммы R3 и R4 соответствуют танталовому конденсатору типа AVX TPS 22 мкФ, 35 В и конденсатору Sanyo OS-CON 22 мкФ, 30 В, соответственно. С помощью этих двух конденсаторов переходные харак­теристики были доведены до приемлемого уровня. Однако эти конденсаторы больше, чем керамические, и для выполнения требо­ваний к пульсациям входного тока требуется более одного конденсатора.

Оптимизация входных конденсаторов

Осциллограммы на Рисунке 3 показывают, как изменяется характер переходных процес­сов на входе в зависимости от типа использу­емых входных конденсаторов.

Оптимизация входных конденсаторов требует четкого понимания того, что происхо­дит во время переходных процессов. Как в обычном резонансном RLC контуре, пере­ходная характеристика схемы на Рисунке 1 может иметь докритическое, критическое и сверхкритическое затухание. Поскольку целью является минимизация размеров схемы входного фильтра, результи­рующая схема обычно представляет собой резонансный контур с докритическим затуха­нием. Однако на самом деле требуется схема с критическим затуханием. Критически дем­пфированная схема будет обеспечивать плавное нарастание до входного напряжения без скачков или звона.

Чтобы конструкция входного фильтра была небольшой, желательно использовать кера­мические конденсаторы из-за их высоких допустимых значений пульсаций тока и низко­го ESR. Приступая к проектированию, снача­ла необходимо определить минимальную емкость входного конденсатора. В примере было установлено, что достаточно керами­ческого конденсатора 22 мкФ, 35 В. Броски входного напряжения, создаваемые этим кон­денсатором, показаны на верхней осциллог­рамме Рисунка 4 и в Таблице 3. Очевидно, что при использовании компонентов, рассчитан­ных на напряжение 30 В, возникнут проблемы

Чтобы получить оптимальную переходную характеристику, входная цепь должна быть демпфирована. Осциллограмма R2 показы­вает, что произойдет, если добавить еще один керамический конденсатор емкостью 22 мкФ с последовательно подключенным резистором 0.5 Ом. Бросок входного напря­жения теперь хорошо выровнен на уровне 30 В. Критическое затухание также может быть достигнуто добавлением конденсатора того типа, который уже имеет высокое ESR (порядка 0.5 Ом). Осциллограмма R3 пока­зывает переходный процесс, когда к входу добавляется танталовый конденсатор типа TPS 22 мкФ, 35 В от AVX.

Для сравнения осциллограмма R4 пока­зывает бросок входного напряжения при использовании 30-вольтового супрессора. Наконец, достигается идеальная форма напряжения, показанная на Рисунке 4 на нижней осциллограмме (Ch1). Также оказа­лось, что это и наименее затратное решение. В схеме используется алюминиевый электро­литический конденсатор 47 мкФ, 35 В, выпус­каемый Sanyo (35CV47AXA). Этот конденса­тор имеет как раз такие значения емкости и ESR, чтобы обеспечить критическое демп­фирование комбинации керамического кон­денсатора 22 мкФ и входной индуктивности 1 мкГн. Конденсатор 35CV47AXA имеет ESR 0.44 Ом и рассчитан на максимальное сред­неквадратичное значение тока 230 мА. Оче­видно, что этот конденсатор нельзя использо­вать в приложениях со среднеквадратичным током пульсаций от 1 А до 2 А без керамичес­кого конденсатора емкостью 22 мкФ. Допол­нительным преимуществом является то, что этот конденсатор очень мал; его размеры составляют всего 6.3 * 6 мм.

Заключение

Броски входного напряжения в переход­ном режиме — это проблема проектирования, которую нельзя игнорировать. Конструктив­ные решения, предотвращающие броски входного напряжения, могут быть очень про­стыми и эффективными. При правильном применении решения емкости входных кон­денсаторов можно свести к минимуму, а также минимизировать стоимость и размеры без ущерба для характеристик схемы