如何确定直流台式电源的输出电容器尺寸?

电器工程 电源 电容器 电压调节器 模拟 控制系统
2022-01-06 10:35:36

我正在设计一个直流台式电源,并谈到了选择输出电容器的问题。我已经确定了一些相关的设计标准,但我发现我的推理仍然有点绕圈子,因为我试图将它们排列成一个合理的设计过程。

这是工作原理图,可让您了解这将进入什么。恒流电路未画出。

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以下是我目前了解的注意事项/关系:

  • 在快速负载阶跃期间,\$C_{out}\$ 在控制回路响应所需的时间间隔内缓和输出电压变化(下冲/过冲)。通常,较大的电容器会产生较小的下冲/过冲。

  • \$C_{out}\$ 参与控制回路的频率响应。它通过与负载电阻的相互作用贡献一个极点,并通过与其自身的有效串联电阻 (ESR) 的相互作用贡献一个零点。

  • 通常,更快(更高带宽)的控制环路会降低实现给定下冲所需的输出电容。

  • 由 \$C_{out}\$ 的 ESR 产生的下冲/过冲部分(步骤右侧的垂直位)无法通过更快的控制回路来减少。它的大小纯粹是电流(步长)和 ESR 的函数。

  • 由电源驱动的电路可以而且经常会产生额外的电容,例如,连接电路中电源轨旁路电容的总和。此电容与 \$C_{out}\$ 并行出现。不难想象这些可能等于或超过 \$C_{out}\$ 的值,导致 \$C_{out}\$ 极点向下移动一个八度或更多。例如,在这种情况下,电源的性能应该会平稳下降,而不是陷入振荡。

  • 存储在输出电容中的能量不受电源限流电路的控制。虽然使用大输出电容器可能会掩盖控制回路设计中的一些缺陷,但它会使连接的电路面临不受控制的电流浪涌的风险。

  • 当电压设定点被调低时,输出电容必须足够快地放电,以满足向下编程速度的规范,即使在没有连接负载的情况下也是如此。必须存在与输出电容和指定的向下编程速度成比例的放电路径。在某些情况下,输出电压采样电路(电阻分压器)可能就足够了;在其他情况下,可能需要分流电阻器或其他电路功能。

所以我的问题是:“如何为我的直流台式电源设计选择输出电容器?”

我最好的猜测是:

  • 从一个适度的 \$C_{out}\$ 值开始,在本例中为 100µF。
  • 从最大输出电压 (30V) 下的下冲规范 (比如 50mV 最大值,首选 25mv) 向后工作,以实现满载阶跃 (0-300mA),并考虑可用电容器的 ESR,看看我需要什么样的带宽将下冲保持在规格范围内。
  • 移动到更大的 \$C_{out}\$ 值以降低所需的交叉频率或降低 ESR 值。

我在正确的轨道上吗?任何有经验的从业者的指导将不胜感激:)

2个回答

无论如何,您似乎在 LTspice 中拥有整个电路。启动分析会告诉你大部分你想知道的事情。将您的“大”(45 V) DC 电源替换为具有脉冲定义的电源,即从 0 V 开始并在短时间内(例如 10...100 ns)内步进到 45 V 的电源,经过很短的时间(比如 1 µs)。这样一来,所有电容器都将针对未通电的电路进行初始化,并且您会看到您的稳压器正在为输出电容器充电。使用此设置,您可以了解整体情况:首先,未充电的输出电容器会在您的输出端产生完全短路,因此您会看到稳压器以最大值启动。当前的。一旦输出电容器的电压达到所需值,您还可以观察到任何可能的过冲。

另一种方法是在输出端包含一个电流源(实际上是接收器),在 0 A 和您的最大值之间步进。所需的输出电流。

根据经验,我会从每 1 A 的最大电流 1000 µF 开始。设计的输出电流并尝试(“.step param”)值低于和高于(10 µF、47 µF、100 µF、470 µF;4.7 mF、10 mF)。此外,事情不会变得太关键:您的传输晶体管是 NPN,无论如何这种设计基本上是稳定的(与使用 PNP 传输晶体管的 LDO 相反)。对电路进行稳定性分析可能确实是个好主意。尽管您的原理图乍一看很像带有公共集电极传输晶体管的线性稳压器,但您确实有一个共发射极电路,而且这些电路往往不稳定。原因是公共集电极放大器的输出阻抗大致是晶体管的基极驱动阻抗,除以晶体管的β,这个值在负载变化时没有任何显着变化,而且很低另一方面,共发射极放大器的输出阻抗是由负载本身决定的,它最多保持在一定范围内,但当然不能设计到稳压器本身中。(*)

这是一个关于线性稳压器稳定性的很好解释的来源,但我们必须在示例中交换“PNP”和“NPN”,因为我们不是(!)在这里处理相同的电路。对于传输晶体管在线性稳压器中接线的“通常”方式,引用是:“LDO 稳压器中的 PNP 晶体管 [...] 以称为共发射极的配置连接,其输出阻抗高于普通发射极。 NPN 调节器中的集电极配置。” (美国国家半导体 - 现在 TI - app'note AN-1148,第 9 节)


(*) 不得不编辑我的第一个版本的答案,因为我忽略了一些重要问题。从其他帖子的一些评论中可以看出,这个问题与修理老式实验室设备有关,你永远无法从修理东西中学到足够的东西。以下是 Jim Williams 的文章“修复的重要性”的摘录,该文章发表在《模拟电路设计的艺术与科学》一书中:

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哦,我多么喜欢自欺欺人的部分……

基本上,您需要考虑负载的最佳和最坏情况,就其等效电阻和等效电容(与输出电容平行)而言。您不能为绝对任何负载进行设计。

对于负载电阻的极值,很容易确定某个最小值,因为这取决于您的通路元件可以接收的最大电流。但您还需要考虑高阻抗负载,因为它会将输出极点拉至较低频率,可能会影响稳定性。

如果您要插入一些在其输入端具有相当大的旁路/储能电容器的电路板作为负载,那么您不能忽略它们对您的稳压器的影响。可以轻松遇到直流输入为 470-1000uF 的电路板。

此外,在实践中,您的调节器不会对负和正瞬变做出相同的反应。您需要评估正负载突降和负负载突降的阶跃响应。您必须担心您使用的运算放大器的 SPICE 模型是否足以预测/模拟这种差异。

为了进一步阅读,我推荐 Rincon-Mora 的关于 LDO 的书。据我所知,这是最近[即印刷] 关于线性稳压器的唯一一本书,而且他有一些行业经验(曾在 TI 工作)。本书的第一章包含用于计算/估计瞬态响应的理论/公式和一些示例,还有一章介绍了系统设计的稳定性。唉,由于本书专注于板级稳压器,因此书中制定的设计示例(但不是理论)通常假设负载电容 [至少] 比稳压器的输出上限低一个数量级. 他的设计方法口号基本上是“线性稳压器的设计周期通常从输出开始,到输入结束”。