Как выбрать выходной конденсатор для источника питания постоянного тока?

Я проектирую источник питания постоянного тока и пришел к вопросу выбора выходного конденсатора. Я определил ряд связанных критериев проектирования, но мои рассуждения все еще идут немного кругами, когда я пытаюсь упорядочить их в разумный процесс проектирования.

Вот рабочая схема, чтобы дать вам представление, во что это войдет. Схема постоянного тока не изображена.

Вот соображения / отношения, которые я понимаю до сих пор:

• При быстром шаге нагрузки, умеренные изменения выходного напряжения недолета / перерегулирования) в интервале требуется для контура управления , чтобы ответить. Как правило, больший конденсатор создает меньший недопустимый уровень.$C_{out}$

• участвует в частотной характеристике контура управления. Он вносит вклад вполюсблагодаря взаимодействию с сопротивлением нагрузки, аноль -к взаимодействию с собственным эффективным последовательным сопротивлением (ESR).$C_{out}$

• В целом, более быстрый (более высокая пропускная способность) контур управления уменьшает выходную емкость, необходимую для достижения заданного минимального выброса.

• Часть недооценки / перерегулирования, создаваемая ESR (вертикальный бит прямо на шаге), не может быть уменьшена более быстрым контуром управления. Его размер является чисто функцией тока (размер шага) и ESR.$C_{out}$

• Схема, управляемая источником питания, может и часто будет вносить дополнительную емкость, например, в сумму обводных конденсаторов шины питания в подключенной цепи. Эта емкость появляется параллельно с . Не исключено, что они могут равняться или превышать значение , в результате чего полюс смещается на октаву или более вниз. В этом случае производительность источника питания должна снижаться, а не колебаться, например.$C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$

• Энергия, накопленная в выходной емкости, находится вне контроля схемы ограничения тока источника питания. Хотя использование большого выходного конденсатора может скрывать некоторые грехи в конструкции контура управления, он подвергает подключенную цепь риску неконтролируемых скачков тока.

• Когда заданное значение напряжения понижается, выходной конденсатор должен разряжаться достаточно быстро, чтобы соответствовать спецификации скорости понижающего программирования, даже если нагрузка не подключена. Должен присутствовать путь разряда, пропорциональный выходной емкости и указанной скорости понижающего программирования. В некоторых случаях схема дискретизации выходного напряжения (резистивный делитель) может быть адекватной; в других случаях может потребоваться шунтирующий резистор или другая схема.

Итак, мой вопрос: «Как мне подойти к выбору выходного конденсатора для моей конструкции источника питания постоянного тока?»

Мое лучшее предположение это:

• Начните со скромного значения , скажем, 100 мкФ в этом случае.$C_{out}$
• Работайте в обратном направлении по сравнению со спецификациями ниже минимума (скажем, максимум 50 мВ, предпочтительно 25 мВ) при максимальном выходном напряжении (30 В) для шага полной нагрузки (0-300 мА), а также с учетом ESR доступных конденсаторов, посмотрите, какую полосу пропускания мне потребуется для держать недолет в пределах спец.
• Перейдите к большему значению чтобы уменьшить требуемую частоту кроссовера или уменьшить значение ESR.$C_{out}$

Я на правильном пути? Любое руководство от более опытных практиков будет с благодарностью получено :)

Похоже, у вас есть вся схема в LTspice. Анализ запуска покажет вам большинство вещей, которые вы хотите знать. Замените ваш «большой» (45 В) источник постоянного тока на источник с определением импульса, т. Е. Тот, который начинается с 0 В и переходит к 45 В в течение короткого времени (скажем, 10 ... 100 нс), через короткое время (скажем, 1 мкс). Таким образом, все конденсаторы будут инициализированы для цепи без питания, и вы увидите, что ваш регулятор делает все возможное для зарядки выходного конденсатора. Используя эту настройку, вы получите полную картину: во-первых, незаряженный выходной конденсатор создает резкое короткое замыкание на вашем выходе, поэтому вы видите, что ваш регулятор запускается на максимуме. текущий. Как только напряжение на вашем выходном конденсаторе достигнет желаемого значения, вы также сможете наблюдать любые возможные выбросы.

Альтернативный подход мог бы включать источник тока (фактически, сток) на выходе, шагая между 0 A и вашим максимальным значением. желаемый выходной ток.

Как правило, я бы начал с 1000 мкФ на 1 А макс. рассчитанный выходной ток и попробуйте («.Step Param») значения ниже и выше (10 мкФ, 47 мкФ, 100 мкФ, 470 мкФ; 4,7 мФ, 10 мФ). Кроме того, вещи не станут слишком критичными: ваш транзистор-транзистор является NPN, и эта конструкция в принципе стабильна (в отличие от LDO, который использует транзистор PNP-транзистор).Анализ стабильности вашей схемы может быть хорошей идеей; даже если ваша схема на первый взгляд очень похожа на линейный регулятор с транзистором с общим коллекторным проходом, у вас действительно есть общая схема эмиттера, и она обычно нестабильна. Причина в том, что выходной импеданс усилителя с общим коллектором примерно равен базовому сопротивлению возбуждения транзистора, разделенному на бета-версию транзистора, и это значение не изменяется каким-либо существенным образом при изменении нагрузки, и оно низкое . С другой стороны, выходной импеданс общего эмиттерного усилителя определяется самой нагрузкой, которая в лучшем случае остается в определенном диапазоне, но, конечно, не может быть встроена в сам регулятор напряжения. (*)

Вот источник с действительно хорошим объяснением стабильности линейного регулятора, но мы должны поменять местами «PNP» и «NPN» в нашем примере, потому что мы не (!) Имеем дело с одной и той же схемой здесь. Для «обычного» способа, когда транзистор прохода подключен к линейным регуляторам, цитата: «Транзистор PNP в регуляторе LDO [...] подключен в конфигурации, называемой общим эмиттером, который имеет более высокий выходной импеданс, чем общий Конфигурация коллектора в регуляторе NPN. " (National Semiconductor - теперь TI - app'note AN-1148, раздел 9)

(*) Мне пришлось отредактировать мою первую версию ответа, потому что я упустил из виду некоторые важные вопросы. Как можно заметить в некоторых комментариях к другим постам, проблема связана с ремонтом старинного лабораторного оборудования, и вы никогда не научитесь достаточно починить вещи. Вот выдержка из статьи Джима Уильямса «Важность фиксации», опубликованной в книге «ИСКУССТВО И НАУКА АНАЛОГОВОГО ДИЗАЙНА ЦЕПИ»:

О, как мне нравится часть о том, чтобы обмануть себя ...

В основном вам необходимо учитывать наилучшие и наихудшие случаи для нагрузки с точки зрения ее эквивалентного сопротивления и эквивалентной емкости (которая идет параллельно с вашей выходной крышкой). Вы не можете проектировать абсолютно любую нагрузку.

Для экстремальных значений нагрузочного резистора достаточно легко выбрать минимальное значение, так как оно определяется максимальным током, который может пропустить ваш проходной элемент. Но вам также необходимо учитывать нагрузку с высоким импедансом, поскольку она вытягивает выходной полюс на более низкие частоты, что может поставить под угрозу стабильность.

Если вы собираетесь подключить в качестве нагрузки какую-либо плату, имеющую на своем входе большие обводные / емкостные конденсаторы, то вы не можете игнорировать их влияние на ваш регулятор. Платы с 470-1000 мкФ на входе постоянного тока можно встретить без особых затруднений.

Кроме того, на практике ваш регулятор не будет одинаково реагировать на отрицательные и положительные переходные процессы. Вам необходимо оценить реакцию шага на положительные и отрицательные дампы нагрузки. Вам нужно беспокоиться о том, будет ли модель SPICE для используемого вами операционного усилителя достаточно хорошей, чтобы предсказать / смоделировать эту разницу.

Для дальнейшего чтения я рекомендую книгу Ринкон-Мора о НДО. Насколько я знаю, это единственная недавно вышедшая [то есть в печатном виде] книга по линейным регуляторам, и он имеет некоторый опыт работы в отрасли (работал в TI). Первая глава книги содержит теорию / формулы и некоторые примеры для расчета / оценки переходного отклика, а также есть глава, посвященная проектированию системы, которая касается стабильности. Увы, поскольку книга сфокусирована на регуляторах уровня платы, разработанные примеры конструкции в книге (но не в теории) обычно предполагают, что емкость нагрузки [по крайней мере] на порядок ниже, чем выходная крышка регулятора , Его мантра подхода к проектированию заключается в основном в том, что «цикл проектирования линейного регулятора обычно начинается на выходе и заканчивается входом».