Wie dimensioniere ich den Ausgangskondensator für ein DC-Tischnetzteil?

Ich entwerfe ein DC-Tischnetzteil und bin auf die Wahl des Ausgangskondensators gekommen. Ich habe eine Reihe verwandter Entwurfskriterien identifiziert, aber ich finde, dass meine Überlegungen immer noch ein wenig im Kreis verlaufen, wenn ich versuche, diese in einen vernünftigen Entwurfsprozess einzuordnen.

Hier ist das Arbeitsschema, um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, worauf es ankommt. Der Konstantstromkreis ist nicht abgebildet.

Hier sind die Überlegungen / Beziehungen, die ich bisher verstanden habe:

• Während eines schnellen Ladeschritts mildert die Änderung der Ausgangsspannung (Unterschreitung / Überschreitung) in dem Intervall, das erforderlich ist, damit der Regelkreis reagiert. Im Allgemeinen erzeugt ein größerer Kondensator ein kleineres Unter- / Überschwingen.$C_{out}$

• nimmt am Frequenzgang des Regelkreises teil. Es trägt einenPoldurch seine Wechselwirkung mit dem Lastwiderstand und a$C_{out}$ Null durch seine Wechselwirkung mit seinem eigenen effektiven Serienwiderstand (ESR) bei.

• Im Allgemeinen reduziert eine schnellere Regelschleife (mit höherer Bandbreite) die Ausgangskapazität, die erforderlich ist, um eine bestimmte Unterschreitung zu erreichen.

• Der Abschnitt der Unter / Überschwinger durch den ESR des produzierten $C_{out}$ (der vertikalen Bit rechts im Schritt) nicht durch einen schnelleren Regelkreis reduziert werden. Die Größe ist lediglich eine Funktion der aktuellen (Schrittgröße) und des ESR.

• Die von der Versorgung angetriebene Schaltung kann und wird häufig zusätzliche Kapazität beitragen, beispielsweise die Summe der Stromschienen-Überbrückungskondensatoren in einer angeschlossenen Schaltung. Diese Kapazität erscheint parallel . Es ist nicht unvorstellbar, dass diese den Wert von C o u t erreichen oder überschreiten und den C o $C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$ Pol eine Oktave oder mehr nach unten zu bewegen. Die Leistung des Netzteils sollte sich in dieser Situation deutlich verschlechtern und beispielsweise nicht in Schwingungen geraten.

• Die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie liegt außerhalb der Kontrolle der Strombegrenzungsschaltung des Netzteils. Während die Verwendung eines großen Ausgangskondensators einige Sünden im Regelkreis verbirgt, ist der angeschlossene Stromkreis dem Risiko von unkontrollierten Stromstößen ausgesetzt.

• Wenn der Spannungssollwert herabgesetzt wird, muss der Ausgangskondensator schnell genug entladen werden, um die Spezifikation für die Herabprogrammierungsgeschwindigkeit zu erfüllen, auch wenn keine Last angeschlossen ist. Es muss ein Entladeweg vorhanden sein, der proportional zur Ausgangskapazität und der angegebenen Abwärtsprogrammiergeschwindigkeit ist. In einigen Fällen kann die Ausgangsspannungsabtastschaltung (Widerstandsteiler) ausreichend sein; In anderen Fällen kann ein Shunt-Widerstand oder ein anderes Schaltungsmerkmal erforderlich sein.

Meine Frage lautet also: "Wie wähle ich den Ausgangskondensator für meine DC-Tischstromversorgung aus?"

Meine beste Vermutung ist folgende:

• Beginnen Sie mit einem bescheidenen $C_{out}$ Wert, in diesem Fall 100µF.
• Arbeiten Sie von der Unterschreitungsspezifikation (z. B. 50 mV max., 25 mV bevorzugt) bei der maximalen Ausgangsspannung (30 V) für einen Volllastschritt (0 bis 300 mA) rückwärts und prüfen Sie unter Berücksichtigung des ESR der verfügbaren Kondensatoren, welche Bandbreite ich benötigen würde Halten Sie die Unterschreitung innerhalb der Spezifikation.
• Bewegen , um einen größeren - Wert entweder die gewünschte Übergangsfrequenz zu reduzieren oder den ESR - Wert zu reduzieren.$C_{out}$

Bin ich auf dem richtigen Weg? Jede Anleitung von erfahreneren Praktizierenden wird sehr dankbar entgegengenommen :)

Du scheinst sowieso die ganze Strecke in LTspice zu haben. Eine Startanalyse sagt Ihnen die meisten Dinge, die Sie wissen wollen. Ersetzen Sie Ihre "große" (45 V) Gleichstromquelle durch eine Quelle mit Impulsdefinition, dh eine, die bei 0 V beginnt und innerhalb kurzer Zeit (z. B. 10 ... 100 ns) auf 45 V übergeht (sagen wir 1 µs). Auf diese Weise werden alle Kondensatoren für einen stromlosen Stromkreis initialisiert, und Sie sehen, dass Ihr Regler das Beste tut, um den Ausgangskondensator aufzuladen. Mit dieser Einstellung erhalten Sie das gesamte Bild: Erstens erzeugt der ungeladene Ausgangskondensator einen Kurzschluss an Ihrem Ausgang, sodass Ihr Regler bei maximaler Leistung beginnt. Strom. Sobald die Spannung an Ihrem Ausgangskondensator den gewünschten Wert erreicht, können Sie auch ein mögliches Überschwingen feststellen.

Ein alternativer Ansatz wäre, eine Stromquelle (tatsächlich eine Senke) am Ausgang einzuschließen, die zwischen 0 A und Ihrem Maximalwert liegt. gewünschter Ausgangsstrom.

Als Faustregel würde ich mit 1000 µF pro 1 A von max. Nennausgangsstrom und Versuchswerte (".step param") unter und über (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4,7 mF, 10 mF). Außerdem werden die Dinge nicht zu kritisch: Ihr Durchlasstransistor ist ein NPN, und dieses Design ist grundsätzlich stabil (im Gegensatz zu einem LDO, der einen PNP-Durchlasstransistor verwendet).Eine Stabilitätsanalyse Ihrer Schaltung könnte wirklich eine gute Idee sein. Auch wenn Ihr Schaltplan auf den ersten Blick einem linearen Regler mit einem gemeinsamen Kollektordurchgangstransistor ähnelt, haben Sie wirklich einen gemeinsamen Emitterschaltkreis, und diese sind in der Regel instabil. Der Grund dafür ist, dass die Ausgangsimpedanz eines gemeinsamen Kollektorverstärkers ungefähr die Basisansteuerimpedanz des Transistors ist, geteilt durch das Beta des Transistors, und dieser Wert ändert sich nicht in signifikanter Weise, wenn sich die Last ändert, und ist niedrig. Andererseits wird die Ausgangsimpedanz eines gewöhnlichen Emitterverstärkers durch die Last selbst definiert, die bestenfalls in einem bestimmten Bereich bleibt, aber natürlich nicht in den Spannungsregler selbst eingebaut werden kann. (*)

Hier ist eine Quelle mit einer wirklich guten Erklärung für die Stabilität eines Linearreglers, aber wir müssen in unserem Beispiel "PNP" und "NPN" tauschen, weil wir uns hier nicht (!) Mit derselben Schaltung befassen. Für die "übliche" Art und Weise, wie der Durchlasstransistor in Linearreglern verdrahtet ist, lautet das Zitat: "Der PNP-Transistor in einem LDO-Regler [...] ist in einer Konfiguration angeschlossen, die als gemeinsamer Emitter bezeichnet wird und eine höhere Ausgangsimpedanz als der gemeinsame hat Kollektorkonfiguration im NPN-Regler. " (National Semiconductor - jetzt TI - App'note AN-1148, Abschnitt 9)

(*) Ich musste meine erste Version der Antwort bearbeiten, weil ich einige wichtige Punkte übersehen hatte. Wie in einigen Kommentaren zu anderen Beiträgen zu sehen ist, hat das Problem damit zu tun, alte Laborgeräte zu reparieren, und man kann nie genug davon lernen, Dinge zu reparieren. Hier ist ein Auszug aus Jim Williams 'Artikel "The Importance of Fixing", der im Buch ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN veröffentlicht wurde:

Oh, wie gut gefällt mir der Teil, in dem es darum geht, sich selbst zu täuschen ...

Grundsätzlich müssen Sie die besten und schlechtesten Fälle für die Last in Bezug auf ihren äquivalenten Widerstand und ihre äquivalente Kapazität (die parallel zu Ihrer Ausgangskappe verläuft) berücksichtigen. Sie können nicht für absolut jede Last ausgelegt werden.

Für die Extremwerte des Lastwiderstands ist es einfach genug, einen Minimalwert zu bestimmen, da dieser durch den Maximalstrom bestimmt wird, den Ihr Durchgangselement speisen kann. Sie müssen jedoch auch eine hochohmige Last berücksichtigen, da sie den Ausgangspol auf niedrigere Frequenzen zieht und möglicherweise die Stabilität beeinträchtigt.

Wenn Sie eine Karte mit umfangreichen Bypass- / Tank-Kondensatoren als Last anschließen, können Sie deren Auswirkungen auf Ihren Regler nicht ignorieren. Boards mit 470-1000uF an ihrem DC-Eingang können ohne große Schwierigkeiten angetroffen werden.

In der Praxis reagiert Ihr Regler auch nicht gleichermaßen auf negative und positive Transienten. Sie müssen die Sprungantwort sowohl für positive als auch für negative Load-Dumps auswerten. Sie müssen sich Sorgen machen, ob das SPICE-Modell für den von Ihnen verwendeten Opamp gut genug ist, um diesen Unterschied vorherzusagen / zu simulieren.

Für die weitere Lektüre empfehle ich Rincon-Moras Buch über LDOs. Soweit ich weiß, ist es das einzige neuere [dh gedruckte] Buch über Linearregler, und er verfügt über Branchenerfahrung (bei TI gearbeitet). Das erste Kapitel des Buches enthält die Theorie / Formeln und einige Beispiele zur Berechnung / Schätzung des Einschwingverhaltens. Es gibt ein Kapitel zum Systemdesign, das sich mit Stabilität befasst. Da sich das Buch auf Regler auf Platinenebene konzentrierte, gehen die ausgearbeiteten Konstruktionsbeispiele im Buch (aber nicht die Theorie) normalerweise davon aus, dass die Lastkapazität [zumindest] eine Größenordnung niedriger ist als die Ausgangsgrenze des Reglers . Sein Mantra für den Entwurfsansatz lautet im Grunde: "Der Entwurfszyklus eines Linearreglers beginnt normalerweise am Ausgang und endet mit dem Eingang."