Jak dopasować kondensator wyjściowy do zasilacza stołowego na prąd stały?

Projektuję zasilacz stołowy DC i doszedłem do kwestii wyboru kondensatora wyjściowego. Zidentyfikowałem kilka powiązanych kryteriów projektowych, ale moje rozumowanie wciąż krąży trochę w kółko, gdy próbuję zsekwencjonować je w rozsądny proces projektowania.

Oto działający schemat, który daje wyobrażenie o tym, w co się stanie. Obwód prądu stałego nie jest pokazany.

Oto rozważania / relacje, które rozumiem do tej pory:

• Podczas kroku szybkiego obciążenia, moderuje zmianę napięcia wyjściowego poniżej / powyżej / w przedziale wymaganym do reakcji pętli sterowania. Zasadniczo większy kondensator powoduje mniejsze niedopasowanie / przeregulowanie.$C_{out}$

• $C_{out}$ uczestniczy w odpowiedzi częstotliwościowej pętli sterowania. Przyczynia się do tego biegun poprzez jego oddziaływanie z rezystancją obciążenia, a zero przez jego oddziaływanie z własną efektywną rezystancją szeregową (ESR).

• Zasadniczo, szybsza (większa szerokość pasma) pętla sterująca zmniejsza pojemność wyjściową wymaganą do osiągnięcia danego niedomiaru.

• Część niedoszacowania / przeregulowania wygenerowana przez ESR dla (bit pionowy na etapie) nie może być zmniejszona przez szybszą pętlę sterowania. Jego rozmiar jest wyłącznie funkcją prądu (wielkość kroku) i ESR.$C_{out}$

• Obwód napędzany przez zasilacz może i często wnosi dodatkową pojemność, na przykład sumę kondensatorów obejściowych szyny zasilającej w podłączonym obwodzie. Ta pojemność pojawia się równolegle z . Nie jest wykluczone, że mogą one być równe lub przekraczać wartość , powodując, że biegun przesuwa się o oktawę lub więcej w dół. Wydajność zasilacza powinna w tej sytuacji z wdziękiem ulec pogorszeniu i na przykład nie ulegać oscylacji.$C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$

• Energia zgromadzona w pojemności wyjściowej leży poza kontrolą obwodu ograniczającego prąd zasilacza. Chociaż użycie dużego kondensatora wyjściowego może ukryć niektóre grzechy w konstrukcji pętli sterowania, naraża podłączony obwód na ryzyko niekontrolowanych skoków prądu.

• Kiedy wartość zadana napięcia jest obniżona, kondensator wyjściowy musi zostać rozładowany wystarczająco szybko, aby spełnić specyfikację prędkości programowania w dół, nawet gdy nie jest podłączone obciążenie. Musi być obecna ścieżka rozładowania proporcjonalna do pojemności wyjściowej i określonej prędkości programowania w dół. W niektórych przypadkach obwód próbkowania napięcia wyjściowego (dzielnik rezystancyjny) może być odpowiedni; w innych przypadkach może być potrzebny rezystor bocznikowy lub inna funkcja obwodu.

Więc moje pytanie brzmi: „Jak podejść do wyboru kondensatora wyjściowego do mojego zasilacza na stole DC?”

Domyślam się, że:

• Zacznij od skromnej wartości , w tym przypadku powiedz 100µF.$C_{out}$
• Pracuj wstecz od specyfikacji niedokładności (powiedzmy, że 50mV max, preferowane 25mv) przy maksymalnym napięciu wyjściowym (30V) dla pełnego obciążenia (0-300mA) i biorąc pod uwagę ESR dostępnych kondensatorów, zobacz, jakiego rodzaju szerokości pasma potrzebowałbym trzymaj niedokończoną specyfikację.
• Przejdź do większej wartości , aby zmniejszyć wymaganą częstotliwość podziału lub zmniejszyć wartość ESR.$C_{out}$

Czy jestem na dobrej drodze? Wszelkie wskazówki od bardziej doświadczonych praktyków będą bardzo wdzięczne :)

Wygląda na to, że i tak masz cały obwód w LTspice. Analiza początkowa pokaże ci większość rzeczy, które chcesz wiedzieć. Zamień swoje „duże” (45 V) źródło prądu stałego na źródło, które ma definicję impulsu, tj. Takie, które zaczyna się od 0 V i przechodzi do 45 V w krótkim czasie (powiedzmy 10 ... 100 ns), po krótkim czasie (powiedzmy 1 µs). W ten sposób wszystkie kondensatory zostaną zainicjowane dla obwodu bez zasilania, a zobaczysz, że twój regulator najlepiej ładuje kondensator wyjściowy. Korzystając z tej konfiguracji, otrzymujesz cały obraz: Po pierwsze, nienaładowany kondensator wyjściowy powoduje zwarcie na wyjściu, więc widzisz, że regulator zaczyna od maks. obecny. Gdy napięcie na kondensatorze wyjściowym osiągnie żądaną wartość, będziesz mógł zaobserwować wszelkie możliwe przekroczenie.

Alternatywnym podejściem byłoby włączenie źródła prądu (faktycznie, ujścia) na wyjściu, z krokiem od 0 A do maksimum. pożądany prąd wyjściowy.

Zasadniczo zacznę od 1000 µF na 1 A maks. zaprojektował prąd wyjściowy i wypróbował („.step param”) wartości poniżej i powyżej (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4,7 mF, 10 mF). Ponadto, sprawy nie staną się zbyt krytyczne: Twój tranzystor przejściowy jest NPN, a ta konstrukcja jest w zasadzie stabilna (w przeciwieństwie do LDO, który wykorzystuje tranzystor PNP).Analiza stabilności obwodu może być naprawdę dobrym pomysłem; chociaż na pierwszy rzut oka twój schemat wygląda jak liniowy regulator ze wspólnym tranzystorem przejściowym kolektora, naprawdę masz wspólny obwód emitera, a te wydają się być niestabilne. Powodem jest to, że impedancja wyjściowa wspólnego wzmacniacza kolektorowego jest w przybliżeniu podstawową impedancją sterującą tranzystora, podzieloną przez beta tranzystora, a wartość ta nie zmienia się w znaczący sposób, gdy obciążenie się zmienia, i jest niskie . Z drugiej strony, impedancja wyjściowa wspólnego wzmacniacza emitera jest definiowana przez samo obciążenie, które w najlepszym razie pozostaje w określonym zakresie, ale oczywiście nie może być zaprojektowane w samym regulatorze napięcia. (*)

Oto źródło z naprawdę dobrym wyjaśnieniem stabilności liniowego regulatora, ale musimy zamienić „PNP” i „NPN” w naszym przykładzie, ponieważ nie mamy (!) Tutaj do czynienia z tym samym obwodem. Dla „zwykłego” sposobu, w jaki tranzystor przejściowy jest okablowany w regulatorach liniowych, cytat brzmi: „Tranzystor PNP w regulatorze LDO [...] jest podłączony w konfiguracji zwanej wspólnym emiterem, który ma wyższą impedancję wyjściową niż wspólny konfiguracja kolektora w regulatorze NPN. ” (National Semiconductor - teraz TI - nota aplikacyjna AN-1148, sekcja 9)

(*) Musiałem edytować moją pierwszą wersję odpowiedzi, ponieważ przeoczyłem kilka ważnych problemów. Jak widać w niektórych komentarzach do innych postów, problem dotyczy naprawy starych urządzeń laboratoryjnych i nigdy nie można nauczyć się wystarczająco dużo od naprawiania rzeczy. Oto fragment artykułu Jima Williamsa „Znaczenie naprawiania”, opublikowanego w książce ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN:

Och, jak mi się podoba ta część oszukiwania się ...

Zasadniczo należy wziąć pod uwagę najlepsze i najgorsze przypadki obciążenia, pod względem jego równoważnej rezystancji i równoważnej pojemności (która idzie równolegle z ograniczeniem wyjściowym). Nie można zaprojektować absolutnie żadnego obciążenia.

W przypadku ekstremalnych wartości rezystora obciążenia łatwo jest zdecydować o minimalnej wartości, ponieważ jest to określone przez maksymalny prąd, jaki może przekazać element przejściowy. Ale należy również wziąć pod uwagę obciążenie o wysokiej impedancji, ponieważ pociąga ono biegun wyjściowy do niższych częstotliwości, co może zagrozić stabilności.

Jeśli zamierzasz podłączyć jako obciążenie płytę, która ma na wejściu spore kondensatory obejściowe / zbiornikowe, nie możesz zignorować ich wpływu na twój regulator. Płyty z 470-1000uF na wejściu DC można napotkać bez większych trudności.

Ponadto w praktyce regulator nie reaguje tak samo na ujemne i dodatnie stany nieustalone. Musisz ocenić odpowiedź krokową zarówno dla zrzutów obciążenia dodatniego, jak i ujemnego. Musisz się martwić, czy model SPICE dla używanego opampa będzie wystarczająco dobry, aby przewidzieć / zasymulować tę różnicę.

Do dalszej lektury polecam książkę Rincon-Mora o LDO. O ile mi wiadomo, jest to jedyna ostatnia książka [o druku] na temat regulatorów liniowych i ma on pewne doświadczenie branżowe (pracował w TI). Pierwszy rozdział książki zawiera teorię / formuły i kilka przykładów obliczania / szacowania odpowiedzi przejściowej, a także rozdział dotyczący projektowania systemu, który zapewnia stabilność. Niestety, ponieważ książka koncentrowała się na regulatorach na poziomie płyty, opracowane w książce przykłady projektowe (ale nie teoria) zwykle zakładają, że pojemność obciążenia jest co najmniej o rząd wielkości niższa niż korek wyjściowy regulatora . Jego mantra podejścia projektowego to w zasadzie „cykl projektowania liniowego regulatora zwykle rozpoczyna się na wyjściu i kończy na wejściu”.