为什么 LM1117 数据表中专门指定了钽电容?

电器工程 电容器
2022-01-06 16:34:56

我计划使用LM1117将 5 V 调节至 3.3 V。查看 LM1117 的(任何几个 数据表,他们建议在输入和接地之间以及输出和接地之间使用 10 µF 钽电容器。

我理解对电容器的需求,但我不清楚为什么这些应该是钽。我周围有一堆 10 µF 电解电容器,但如果出于某种原因需要钽,我将不得不订购这些电容器。

为什么他们对使用钽电容器如此具体?

3个回答

在此应用中完全不需要钽电容。

  • 选择钽的唯一原因 可能是使用寿命,这可以设计用于铝湿电解电容。假设从这里开始,生命周期已经被适当地设计并且不是问题。

  • 如果输入电源轨上可能有来自任何来源的电压尖峰,则使用钽电容器作为输入电容器随时会导致电容器死亡。超过钽电容器额定值一小部分的尖峰有可能在高能量电路中完全破坏,例如这个。

  • 输入电容是典型的储能电容,其值相对不重要。钽在这里没有任何技术用途。如果需要超低阻抗,则建议使用较小的平行陶瓷。

  • 输出电容不是任何传统意义上的滤波电容。它的主要作用是为调节器提供环路稳定性。(可以在不影响其功能的情况下将一个例如 10 欧姆的电阻器与电容器串联。任何普通的滤波电容都不能容忍这种情况而不会影响其功能)。

  • 正确电容和额定电压的铝湿式电解电容器的特性非常适合输出电容器的作用。没有理由不在那里使用它们。这个 7 美分的电容器定价/ 一般数据/数据表将是许多应用中可接受的选择。(更长的使用寿命应用可能表示 1 2000 小时/105C 部分)。


LM1117 数据表为输入和输出电容器的基本和理想特性提供了明确的指导。任何符合这些规格的电容器都是合适的。钽是一个不错的选择,但不是最佳选择。有多种因素,成本是其中之一。钽在大约 10 uF 以上的电容下提供了良好的单位容量成本。在大多数情况下,输出电容器对尖峰是“安全的”。输入电容器面临来自系统其他部分的“不良行为”的风险。高于额定值的尖峰将产生(字面上)燃烧的熔化。(烟雾、火焰、噪音、难闻的气味和爆炸都是可选的——
我见过一个钽帽依次完成所有这些 :-))

输入电容

当稳压器从已经良好去耦的系统总线馈电时,输入电容器并不太重要。在首页的图表下,他们指出“如果稳压器远离电源滤波器,则需要”-您可以在其中添加“或电源的另一个良好去耦部分”。即,通常用于去耦的电容器可能会使此处的另一个电容器变得多余。输出电容更为关键。

输出电容

许多现代低压差高性能稳压器在供应时无条件地不稳定。为了提供环路稳定性,它们需要一个在选定范围内同时具有电容和 ESR 的输出电容器。满足这些条件对于所有负载条件下的稳定性至关重要。

稳定性所需的输出电容:当 Cadj 引脚没有附加的接地电容器 时,稳定性要求输出输出负载电容器 >= 10 uF,当 Cadj 有附加的旁路电容器时,要求输出输出负载电容器 >= 20 uF。更高的电容也很稳定。铝湿式电解盖或陶瓷盖可以满足这一要求。由于湿电解液的容差通常很宽(如果没有其他明确规定,最高可达 +100%/-50%),即使绕过 Cadj,47 uF 铝湿电解液也能提供足够的电容。它可能符合也可能不符合 ESR 规范。

稳定性所需的输出电容 ESR:

ESR 是“金发姑娘要求”:-) - 不多也不少。
所需的 ESR 表示为

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

这是一个非常广泛和不寻常的要求。即使该电容器中相当适度的纹波电流也会引起远大于可接受的电压变化。很明显,他们不期望高纹波电流,并且电容器的作用主要与环路稳定性有关,而不是与噪声控制本身有关。请注意,“老派”稳压器(例如 LM340 / LM7805)通常不指定输出电容器,或者可能是 0.1 uF。例如,此处的 LM340 数据表说“**虽然不需要输出电容器来保持稳定性,但它确实有助于瞬态响应。(如果需要,使用 0.1 µF,陶瓷盘)”。

不需要钽电容器来满足此规范。
湿铝电容器将轻松满足此规范。以下是新铝湿式电解电容器的一些典型的新最大 ESR。第一组是电容范围低端的实际应用中可能使用的电容器。10 uF、10V 大约是允许的 ESr 的一半——对于整个生命周期的舒适度来说可能有点接近。第二组是绕过 Cadj 使用的,无论如何都可以使用 - ESR 在两个方向上都远离限制。第三组是选择接近下限的电容器(它们将获得更高的电阻=随着年龄的增长而变得更好)。100 uF 63V 推动了下限 - 但这里不需要使用 63V 部分,它会随着年龄的增长而变得更高(= 更好)。.

  • 10uF,10V - 10 欧姆
    10 uF,25V - 5.3 欧姆

  • 47uF,10V - 2.2 欧姆
    47 uF,16V - 1.6 欧姆 47 uF,25 V,1.2 欧姆

  • 470 uF,10V - 024
    欧姆 220uF,25V - 0.23 欧姆
    100 uF,63V - 0.3 欧姆


他们 在 LM1117 数据表中说

  • 1.3 输出电容

    输出电容对于维持稳压器的稳定性至关重要,并且必须满足最小电容和 ESR(等效串联电阻)的要求。

    如果使用钽电容,LM1117 所需的最小输出电容为 10µF。输出电容的任何增加都只会提高环路稳定性和瞬态响应。

    输出电容的 ESR 应在 0.3Ω - 22Ω 之间。在可调稳压器的情况下,当使用 CADJ 时,需要更大的输出电容(22µf 钽)

ESR 至关重要


添加 - 注释

SBCasked:

我已经读了很多遍了——“保持调节器的稳定性”。
什么是不稳定调节器的例子?
输出会以高纹波振荡还是未定义或究竟会发生什么?

根据我的经验,稳压器不稳定性(正如您所期望的那样)会导致稳压器振荡,在输出端出现大电平且通常是高频信号,并且使用非 RMS 仪表测量的直流电压似乎是稳定的直流一个不正确的值。

以下是对您在典型情况下可能看到的内容的评论 - 实际结果差异很大,但这是一个指南。
用示波器查看输出,您可能会在标称 5VDC 输出上看到 100 mV 到几伏幅度的 100 kHz 半正弦波。

根据反馈参数,您可能会得到低频振荡,慢到足以看到“DC”表的变化,并且您可能会得到更像 MHz 的信号。
我期望:
(a)非常缓慢的变化更容易出现高幅度(因为它表明系统正在以几乎处于调节状态的方式追逐它的尾巴,并且纠正反馈并没有让它迅速进入(
b) MHz 级振荡更容易低于通常的幅度,因为它表明增益路径的压摆率是响应速度的主要因素。但任何事情都可能发生。

此外,ESR 究竟是如何在这里发挥作用的?
像我这样天真的路人会期望更低的串联电阻更好。

直觉和逻辑并不总是匹配的。
稳压器本质上是一个反馈控制的功率放大器。
如果反馈总体上为负,则系统是稳定的并且输出为直流。
如果净回路反馈为正,则会出现振荡。
整体反馈由涉及相关组件的传递函数描述。您可以从例如奈奎斯特稳定性标准或(相关的)右半平面上没有极点和单位圆内的所有极点的角度来看稳定性,或者......啊!可以说,从输出到输入的反馈不会增强振荡,并且当被视为整个系统的一部分时,太大或太小的电阻都可能导致整体增强。
简单,有用
只是稍微复杂一点 - 好的
Sueful - 堆栈交换

有用

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最后一点,您是否将电容上的纹波电压大(即使对于小电流)称为由于尺寸小而导致的固有问题?(即 Vc = 电流对电容的积分?)

他们说“... 0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm ...”
如果您的 ESR 为 10 欧姆,那么每 mA 的纹波电流都会在电容器上引起 10 mV 的电压变化。10 mA 的纹波电流 = 100 mV 的电压变化,你会对你的稳压器非常不满意。有源稳压器可以减少这种纹波,但最好不要让您的滤波电容器增加您希望它解决的问题。

我在 TI 的 LM3940 数据表(A 5V 至 3.3V LDO)中找到了一个有趣的参考。

之所以指定钽,是因为电解可以在非常低的温度下使其 ESR 增加高达 30 倍。
如果成本是一个问题,可以将一个小钽并联连接到一个大电解液。

ESR LIMITS:输出电容的ESR过高或过低都会导致环路不稳定。图 19 显示了 ESR 与负载电流的可接受范围。输出电容器必须满足这些要求,否则可能会导致振荡。
图 19. ESR 限制
需要注意的是,对于大多数电容器,ESR 仅在室温下指定。但是,设计人员必须确保 ESR 在设计的整个工作温度范围内保持在所示的限制范围内。对于铝电解电容器,随着温度从 25°C 降至 -40°C,ESR 将增加约 30 倍。这种类型的电容器不太适合低温操作。固体钽电容器在整个温度范围内具有更稳定的 ESR,但比铝电解电容器更昂贵。有时使用的一种具有成本效益的方法是将铝电解液与固态钽并联,总电容分成约 75/25%,铝是较大的值。如果两个电容器并联,则有效 ESR 是两个单独值的并联。

与钽相比,电解液的高频性能较差。鉴于这些天钽的价格,我建议您使用其中一个电解电容与一个并联的小型陶瓷电容器 - 比如 100nF。这取决于您的供电方式,但通常不是那么重要,除非纹波和瞬态响应对您特别重要。