Dlaczego karta danych LM1117 określa konkretnie kondensatory tantalowe?

Mam zamiar za pomocą LM1117 regulować 5 V do 3,3 V. patrząc na ( każdy z tych kilku ) arkuszy danych dla LM1117, zaleca się 10 kondensatory uF tantalu między wejściem a masą oraz między wyjściem a masą.

Rozumiem potrzebę stosowania kondensatorów, ale nie jest dla mnie jasne, dlaczego powinny to być tantal. Mam tutaj kilka elektrolitycznych kondensatorów 10 µF, ale jeśli z jakiegoś powodu musi to być tantal, będę musiał je zamówić.

Dlaczego są tak specyficzni w używaniu kondensatorów tantalowych?

Kondensatory tantalowe są całkowicie niepotrzebne w tym zastosowaniu.

• Jedynym powodem wyboru tantalu może być dożywotnia żywotność, i można to zaprojektować z aluminiowymi mokrymi elektrolitycznymi nasadkami. Zakłada się, że odtąd życie zostało właściwie zaprojektowane i nie stanowi problemu.

• Użycie kondensatora tantalu jako kondensatora wejściowego powoduje w dowolnym momencie śmierć kondensatora, jeśli szyna zasilania wejściowego może mieć skoki napięcia z dowolnego źródła. Skok większy niż niewielka część powyżej wartości znamionowej kondensatora tantalowego grozi całkowitym zniszczeniem w obwodzie o wysokiej energii, takim jak ten.

• Kondensator wejściowy jest typowym kondensatorem zbiornikowym, jego wartość jest względnie niekrytyczna. Tantal nie służy tutaj żadnemu celowi technicznemu. Jeśli pożądana jest ultra niska impedancja, wskazane jest użycie mniejszej równoległej ceramiki.

• Kondensator wyjściowy NIE jest kondensatorem filtrującym w jakimkolwiek tradycyjnym sensie. Jego podstawową rolą jest zapewnienie stabilności pętli dla regulatora. (Np. Rezystor 10 omów mógłby być umieszczony szeregowo z kondensatorem bez zakłócania jego działania. Żadna normalna nasadka filtra nie tolerowałaby tego bez pogorszenia funkcjonalności).

• Charakterystyka aluminiowych mokrych kondensatorów elektrolitycznych o właściwej pojemności i napięciu znamionowym jest dobrze dopasowana do roli kondensatora wyjściowego. Nie ma powodu, aby ich tam nie używać. Ten 7-centowy cennik kondensatora / ogólne dane / arkusz danych byłby do przyjęcia w wielu aplikacjach. (Aplikacje o dłuższej żywotności mogą wskazywać 1 2000 godzin / 105 ° C).

LM1117 datasheet zapewnia jasne wytyczne dotyczące istotnych i pożądanych cech kondensatorów wejściowych i wyjściowych. Każdy kondensator, który spełnia te specyfikacje, jest odpowiedni. Tantal jest dobrym wyborem, ale nie jest najlepszym wyborem. Istnieją różne czynniki, a koszt jest jeden. Tantal oferuje OK koszt na zdolność przy pojemnościach od około 10 uF wzwyż. W większości przypadków kondensator wyjściowy jest „bezpieczny” przed skokami. Kondensator wejściowy jest zagrożony „złym zachowaniem” innych części systemu. Skoki powyżej wartości znamionowej spowodują (dosłownie) płonące stopienie. (Dym, płomień, hałas, nieprzyjemny zapach i eksplozja wszystkie opcjonalne -
widziałem jedną czapkę tantalu, która robi to wszystko po kolei :-))

Kondensator wejściowy

Kondensator wejściowy nie jest zbyt krytyczny, gdy regulator jest zasilany z już dobrze odłączonej magistrali systemowej. Pod schematem na stronie głównej napisano „Wymagane, jeśli regulator znajduje się daleko od filtra zasilacza” - do którego można dodać „lub inną dobrze oddzieloną część zasilacza”. tzn. kondensatory stosowane do odsprzęgania ogólnie mogą sprawić, że kolejny tutaj będzie zbędny. Kondensator wyjściowy jest ważniejszy.

Kondensator wyjściowy

Wiele nowoczesnych wysokowydajnych regulatorów o niskiej wydajności jest bezwarunkowo niestabilnych w stanie dostarczonym. Aby zapewnić stabilność pętli, wymagają kondensatora wyjściowego, który ma zarówno pojemność, jak i ESR w wybranych zakresach. Spełnienie tych warunków ma zasadnicze znaczenie dla stabilności w każdych warunkach obciążenia.

Wymagana pojemność wyjściowa dla stabilności: Stabilność wymaga, aby wyjściowy kondensator obciążenia wyjściowego wynosił> = 10 uF, gdy styk Cadj nie ma dodatkowego kondensatora do masy i> = 20 uF, gdy Cadj ma dodatkowy kondensator obejściowy. Wyższe pojemności są również stabilne. Wymaganie to może być spełnione przez aluminiową nasadkę elektrolityczną na mokro lub ceramiczną nasadkę. Ponieważ elektrolityka na mokro ma na ogół szeroką tolerancję (do +100% / - 50%, jeśli nie podano inaczej), elektrolit na mokro z aluminium o wartości 47 uF zapewniłby tutaj odpowiednią pojemność nawet przy pominięciu Cadj. ALE może, ale nie musi spełniać specyfikację ESR.

Kondensator wyjściowy ESR wymagany do stabilności:

ESR to „wymóg Złotowłosa” :-) - nie za dużo i nie za mało.
Wymagana ESR jest podana jako

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Jest to niezwykle szeroki i nietypowy wymóg. Nawet dość niewielkie prądy tętnienia w tym kondensatorze indukowałyby znacznie większe niż dopuszczalne zmiany napięcia. Oczywiste jest, że nie oczekują one dużych prądów tętnienia i że rola kondensatora jest przede wszystkim związana ze stabilnością pętli, a nie z samą kontrolą szumów. Należy zauważyć, że regulatory „starej szkoły”, takie jak np. LM340 / LM7805, często nie określały kondensatora wyjściowego lub być może 0,1 uF. Na przykład w arkuszu danych LM340 jest napisane: „** Mimo że do stabilności nie jest potrzebny kondensator wyjściowy, pomaga on w odpowiedziach przejściowych. (W razie potrzeby użyj 0,1 µF, płyta ceramiczna)”.

Kondensator tantalowy nie jest wymagany do spełnienia tej specyfikacji.
Mokry aluminiowy kondensator z łatwością spełni tę specyfikację. Oto niektóre typowe nowe maksymalne ESR dla nowych aluminiowych mokrych kondensatorów elektrolitycznych. Pierwszą grupą są kondensatory, które można zastosować w praktyce w tym zastosowaniu w dolnym końcu zakresu pojemności. 10 uF, 10 V to około połowa dozwolonego ESr - być może trochę blisko dla wygody przez całe życie. Druga grupa to te, które byłyby używane z pominięciem Cadj i mogłyby i tak zostać wykorzystane - ESR są dalekie od limitów w obu kierunkach. Trzecią grupę stanowią kondensatory dobrane tak, aby zbliżyć się do dolnej granicy (i uzyskają wyższą rezystancję = lepszą z wiekiem). 100 uF 63 V przesuwa dolną granicę - ale nie byłoby potrzeby używania tutaj części 63 V, a wraz z wiekiem będzie ona wyższa (= lepsza). .

• 
  10 uF, 10 V - 10 omów 10 uF , 25 V - 5,3 omów

• 
  47 uF , 10 V - 2,2 oma 47 uF, 16 V - 1,6 ohm 47 uF, 25 V, 1,2 oma

• 470 uF, 10 V - 024
  Ω 220 uF, 25 V - 0,23 oma
  100 uF, 63 V - 0,3 oma

Mówią w arkuszu danych LM1117

• 1.3 Kondensator wyjściowy

  Kondensator wyjściowy ma kluczowe znaczenie dla utrzymania stabilności regulatora i musi spełniać wymagane warunki zarówno dla minimalnej pojemności, jak i ESR (ekwiwalentnej rezystancji szeregowej).

  Minimalna pojemność wyjściowa wymagana przez LM1117 wynosi 10µF, jeśli używany jest kondensator tantalowy. Jakikolwiek wzrost pojemności wyjściowej poprawi jedynie stabilność pętli i reakcję przejściową.

  ESR kondensatora wyjściowego powinien wynosić od 0,3 Ω do 22 Ω. W przypadku regulowanego regulatora, gdy używany jest CADJ, wymagana jest większa pojemność wyjściowa (22µf tantalu)

ESR ma kluczowe znaczenie

DODANO - notatki

SBCasked:

Przeczytałem to wiele razy - „utrzymuj stabilność regulatora”.
Jaki byłby przykład niestabilnego regulatora?
Czy wynik oscylowałby z wysoką falą lub byłby niezdefiniowany, lub co dokładnie by się stało?

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​niestabilność regulatora (i jak można się spodziewać) powoduje oscylację regulatora, z sygnałem o wysokim poziomie i często wysokiej częstotliwości na wyjściu oraz napięciem stałym mierzonym miernikiem innym niż RMS, który wydaje się być stabilnym niepoprawna wartość.

Poniżej znajduje się komentarz do tego, co możesz zobaczyć w typowych okolicznościach - rzeczywiste wyniki różnią się znacznie, ale jest to wskazówka.
Spójrz na sygnał wyjściowy za pomocą oscyloskopu, a zobaczysz np. Pół-sinusoidalną falę 100 kHz o wartości 100 mV do niektórych woltów amplitudy na nominalnym wyjściu 5VDC.

W zależności od parametrów sprzężenia zwrotnego może wystąpić oscylacja niskiej częstotliwości, wystarczająco wolna, aby zobaczyć zmiany w mierniku „DC” i może uzyskać więcej podobnych sygnałów MHz.
Spodziewałbym się:
(a) bardzo powolne zmiany będą bardziej podatne na wysoką amplitudę (ponieważ sugeruje, że system goni ogon w taki sposób, że jest prawie w regulacji, a korekcyjne sprzężenie zwrotne nie wprowadza go szybko w linii i
(b) oscylacja poziomu MHz jest bardziej podatna na spadek niższej niż zwykle amplitudy, ponieważ sugeruje to, że szybkość narastania ścieżki wzmocnienia jest głównym czynnikiem szybkości odpowiedzi. ALE wszystko może się zdarzyć.

Ponadto, w jaki sposób dokładnie tutaj odgrywa rolę ESR?
Naiwny przechodzień, taki jak ja, spodziewałby się, że niższa odporność szeregowa będzie lepsza.

Intuicyjny i logiczny nie zawsze pasują do siebie.
Regulator jest zasadniczo wzmacniaczem mocy kontrolowanym przez sprzężenie zwrotne.
Jeśli sprzężenie zwrotne jest ogólnie ujemne, system jest stabilny, a na wyjściu jest prąd stały.
Jeśli sprzężenie zwrotne pętli netto jest dodatnie, pojawia się oscylacja.
Ogólna informacja zwrotna jest opisana przez funkcję przenoszenia obejmującą zaangażowane komponenty. Możesz spojrzeć na stabilność z punktu widzenia np. Kryteriów stabilności Nyquista lub (powiązanych) braku biegunów na prawej połowie płaszczyzny i wszystkich biegunów wewnątrz okręgu jednostki lub ... agh !. Wystarczy powiedzieć, że sprzężenie zwrotne od wyjścia do wejścia nie wzmacnia oscylacji i że zbyt duży lub zbyt mały opór może prowadzić do ogólnego wzmocnienia, gdy jest uważany za część całego systemu.
Prosty, użyteczny .
Tylko nieco bardziej skomplikowana - dobra
rozsądna - wymiana stosów

Przydatny

Wiele powiązanych zdjęć

I ostatnia uwaga: czy wspomniałeś, że napięcie tętnienia na trzonku jest duże (nawet w przypadku małych prądów) jako nieodłączny problem ze względu na mały rozmiar? (tj. Vc = całka prądu nad pojemnością?)

Mówią „... 0,3 ohm <= ESR <= 22 ohm ...”
Jeśli masz ESR 10 Ohm powiedz, to każdy mA prądu tętnienia spowoduje 10 mV zmiany napięcia na kondensatorze. 10 mA prądu tętnienia = 100 mV zmiany napięcia i byłbyś bardzo niezadowolony ze swojego regulatora. Aktywny regulator może działać w celu zmniejszenia tego tętnienia, ale fajnie jest nie dodawać kondensatora filtrującego do problemu, który chcesz naprawić.

Znalazłem interesujące odniesienie w arkuszu danych LM3940 firmy TI (A 5 V do 3,3 V LDO).

Tantale zostały określone, ponieważ elektrolityczne mogą mieć wzrost ESR do 30x w bardzo niskich temperaturach.
Możliwe jest podłączenie małego tantalu równolegle do dużego elektrolitu, jeśli problemem są koszty.

OGRANICZENIA ESR: ESR kondensatora wyjściowego spowoduje niestabilność pętli, jeśli będzie za wysoka lub za niska. Dopuszczalny zakres wykresu ESR w funkcji prądu obciążenia pokazano na rycinie 19. Istotne jest, aby kondensator wyjściowy spełniał te wymagania, w przeciwnym razie mogą wystąpić oscylacje.
Rysunek 19. Limity ESR
Należy zauważyć, że w przypadku większości kondensatorów ESR jest określony tylko w temperaturze pokojowej. Jednak projektant musi upewnić się, że ESR pozostanie w granicach pokazanych w całym zakresie temperatur roboczych dla projektu. W przypadku aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych ESR wzrośnie o około 30X, gdy temperatura zostanie obniżona z 25 ° C do -40 ° C. Ten typ kondensatora nie nadaje się do pracy w niskiej temperaturze. Stałe kondensatory tantalowe mają bardziej stabilną ESR w stosunku do temperatury, ale są droższe niż elektrolityka aluminiowa. Niekiedy stosuje się opłacalne podejście do równoległego elektrolitycznego aluminium z litym tantalem, z całkowitym podziałem pojemności około 75/25%, przy czym aluminium ma większą wartość. Jeśli dwa kondensatory są połączone równolegle, efektywna ESR jest równoległa do dwóch indywidualnych wartości.

Elektrolityki mają słabą wydajność wysokich częstotliwości w porównaniu z tantalami. Przy cenie tantalu w dzisiejszych czasach poleciłbym użycie jednego z twoich elektrolitów z małym ceramicznym kondensatorem równolegle - powiedzmy 100nF. To zależy od tego, co zasilasz, ale zwykle nie jest to aż tak ważne, chyba że tętnienie i przejściowa reakcja są dla ciebie szczególnie ważne.