Perché la scheda tecnica LM1117 specifica specificamente i condensatori al tantalio?


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Sto pensando di usare un LM1117 per regolare 5 V a 3,3 V. Guardando ( qualsiasi dei i vari ) schede per l'LM1117, raccomandano 10 condensatori uF tantalio tra ingresso e terra e tra l'uscita e la massa.

Capisco la necessità dei condensatori, ma non mi è chiaro perché questi dovrebbero essere specificamente tantalio. Ho un sacco di condensatori elettrolitici da 10 µF seduti qui intorno, mentre se per qualche ragione deve essere tantalio, dovrò ordinarli.

Perché sono così specifici sull'uso dei condensatori al tantalio?


Potrebbe essere che i tantalio abbiano in genere un ESR più elevato dell'elettrolitico?
Majenko,

Matt, dopo averne letto un po 'di più, l'ESR sembra probabilmente essere la ragione. L'ESR della ceramica è apparentemente molto basso, mentre per gli elettrolitici aumenta nel tempo. Se questo è davvero il motivo, per ora gli elettrolitici dovrebbero andare bene - sto provando qualcosa, non ne faccio 10.000. Tuttavia, vorrei saperlo con certezza.
Jon Bright,

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I tantalio hanno un ESR basso!
Leon Heller,

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@MattYoung In realtà sì, lo è. Perché se qualcuno come te trova qualcosa di sbagliato, puoi correggerlo. Si chiama "peer review", ed è sostanzialmente ciò che tutti gli articoli scientifici passano. In questo caso i peer sono sparsi su Internet.
Majenko,

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@MattYoung E quanto pensi che durerebbe la modifica? Wikipedia non è il libero per tutto quello che sembra pensare.
Majenko,

Risposte:


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I condensatori al tantalio sono completamente inutili in questa applicazione.

  • L'unico motivo per scegliere il tantalio potrebbe essere la vita, e questo può essere progettato con tappi elettrolitici bagnati in alluminio. Si presume da qui in poi che la vita sia stata progettata correttamente per e non sia un problema.

  • L'uso di un condensatore al tantalio come condensatore di ingresso invita la morte del condensatore in qualsiasi momento se la barra di alimentazione in ingresso può avere picchi di tensione da qualsiasi sorgente. Un picco più di una piccola frazione al di sopra del valore nominale di un condensatore al tantalio rischia la sua distruzione totale in un circuito ad alta energia, come questo.

  • Il condensatore di ingresso è un tipico condensatore di serbatoio, il suo valore è relativamente non critico. Il tantalio non ha scopo tecnico qui. Se si desidera un'impedenza ultra bassa, viene indicato l'uso di una ceramica parallela più piccola.

  • Il condensatore di uscita NON è un condensatore di filtro in alcun senso tradizionale. Il suo ruolo principale è fornire stabilità del circuito per il regolatore. (Ad esempio, una resistenza da 10 ohm potrebbe essere posizionata in serie con il condensatore senza impedirne la funzionalità. Nessun normale tappo del filtro lo tollererebbe senza funzionalità compromessa).

  • Le caratteristiche dei condensatori elettrolitici in alluminio a umido con capacità e tensione corrette si adattano perfettamente al ruolo del condensatore di uscita. Non c'è motivo di non usarli lì. Questo prezzo dei condensatori da 7 cent / dati generali / scheda tecnica sarebbe una scelta accettabile in molte applicazioni. (Le applicazioni a più lunga durata possono indicare 1 parte da 2000 ore / 105 ° C).


La scheda tecnica LM1117 fornisce una guida chiara sulle caratteristiche essenziali e desiderabili dei condensatori di ingresso e uscita. Qualsiasi condensatore che soddisfi queste specifiche è adatto. Il tantalio è una scelta OK ma non è la scelta migliore. Ci sono vari fattori e il costo è uno. Il tantalio offre un buon costo per capacità a capacità da circa 10 uF in su. Il condensatore di uscita è "sicuro" contro i picchi nella maggior parte dei casi. Il condensatore di ingresso è a rischio di "cattivo comportamento" da altre parti del sistema. I picchi al di sopra del valore nominale producono uno scioglimento (letteralmente) fiammeggiante. (Fumo, fiamma, rumore, cattivo odore ed esplosione tutto opzionale -
ho visto un tappo di tantalio fare tutto questo a turno :-))

Condensatore di ingresso

Il condensatore di ingresso non è eccessivamente critico quando il regolatore viene alimentato da un bus di sistema già ben disaccoppiato. Sotto lo schema in prima pagina riportano "Richiesto se il regolatore si trova lontano dal filtro di alimentazione" - al quale è possibile aggiungere "o un'altra porzione ben scollegata dell'alimentazione". cioè i condensatori usati per il disaccoppiamento in generale possono renderne un altro ridondante. Il condensatore di uscita è più cruciale.

Condensatore di uscita

Molti regolatori moderni ad alte prestazioni a bassa caduta sono incondizionatamente instabili come forniti. Per fornire stabilità del circuito richiedono un condensatore di uscita che abbia capacità e ESR in intervalli selezionati. Soddisfare queste condizioni è essenziale per la stabilità in tutte le condizioni di carico.

Capacità di uscita richiesta per stabilità: la stabilità richiede che il condensatore di carico in uscita sia> = 10 uF quando il pin Cadj non ha un condensatore aggiunto a terra e> = 20 uF quando Cadj ha un condensatore di bypass aggiunto. Anche le capacità più elevate sono stabili. Questo requisito potrebbe essere soddisfatto da un cappuccio elettrolitico in alluminio bagnato o da un tappo in ceramica. Poiché gli elettrolitici a umido hanno generalmente un'ampia tolleranza (fino a +100% / - 50% se non specificato diversamente), un elettrolitico a umido in alluminio da 47 uF fornirebbe un'adeguata capacità anche quando Cadj era bypassato. MA può soddisfare o meno le specifiche ESR.

Condensatore di uscita ESR richiesto per stabilità:

ESR è un "requisito di riccioli d'oro" :-) - non troppo e non troppo poco.
L'ESR richiesto è indicato come

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Questo è un requisito estremamente ampio e insolito. Anche le correnti di ondulazione abbastanza modeste in questo condensatore indurrebbero variazioni di tensione molto maggiori di quelle accettabili. È chiaro che non si aspettano alte correnti di ondulazione e che il ruolo del condensatore è principalmente legato alla stabilità del loop piuttosto che al controllo del rumore in sé. Si noti che regolatori di "vecchia scuola" come ad esempio LM340 / LM7805 spesso non hanno specificato un condensatore di uscita o forse un 0,1 uF. Ad esempio, il foglio dati LM340 dice "** Sebbene non sia necessario alcun condensatore di uscita per la stabilità, aiuta la risposta ai transitori. (Se necessario, utilizzare 0,1 µF, disco ceramico)".

Non è necessario un condensatore al tantalio per soddisfare questa specifica.
Un condensatore in alluminio bagnato soddisferà facilmente queste specifiche. Ecco alcuni nuovi tipici ESR massimi per i nuovi condensatori elettrolitici in alluminio a umido. Il primo gruppo sono condensatori che potrebbero essere utilizzati in pratica in questa applicazione nella fascia bassa della gamma di capacità. Il 10 uF, 10 V è circa la metà dell'ESr consentito, forse un po 'vicino per il comfort per tutta la vita. Il secondo gruppo è quello che verrebbe utilizzato con Cadj bypassato e potrebbe comunque essere utilizzato: gli ESR sono molto lontani dai limiti in entrambe le direzioni. Il terzo gruppo sono condensatori scelti per avvicinarsi al limite inferiore (e otterranno una resistenza maggiore = migliore con l'età). Il 100 uF 63 V spinge il limite inferiore, ma non sarebbe necessario utilizzare una parte 63 V qui e diventerà più alta (= migliore) con l'età. .


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

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

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


Dicono nel foglio dati LM1117

  • 1.3 Condensatore di uscita

    Il condensatore di uscita è fondamentale per mantenere la stabilità del regolatore e deve soddisfare le condizioni richieste sia per la quantità minima di capacità che per ESR (resistenza serie equivalente).

    La capacità di uscita minima richiesta dall'LM1117 è 10µF, se si utilizza un condensatore al tantalio. Qualsiasi aumento della capacità di uscita migliorerà semplicemente la stabilità del circuito e la risposta ai transitori.

    L'ESR del condensatore di uscita dovrebbe variare tra 0,3 Ω - 22 Ω. Nel caso del regolatore regolabile, quando si utilizza CADJ, è richiesta una capacità di uscita maggiore (22µf di tantalio)

ESR è fondamentale


AGGIUNTO - note

SBCasked:

L'ho letto tante volte: "mantieni la stabilità del regolatore".
Quale sarebbe un esempio di regolatore instabile?
L'uscita oscillerebbe con un'ondulazione elevata o sarebbe indefinita o cosa succederebbe esattamente?

L'instabilità del regolatore, secondo la mia esperienza (e come ci si aspetterebbe) provoca l'oscillazione del regolatore, con segnale di livello elevato e spesso ad alta frequenza in uscita e una tensione CC misurata con un misuratore non RMS che sembra essere CC stabile a un valore errato.

Quello che segue è un commento su ciò che potresti vedere in circostanze tipiche: i risultati effettivi variano ampiamente ma questa è una guida.
Guarda l'uscita con un oscilloscopio e potresti vedere ad esempio un'onda semi-sinusoidale da 100 kHz di 100's di mV ad alcuni Volt di ampiezza su un'uscita nominale di 5VDC.

A seconda dei parametri di feedback si potrebbe ottenere un'oscillazione a bassa frequenza, abbastanza lenta da vedere come variazioni su un misuratore "DC" e si potrebbero ottenere più segnali MHz.
Mi aspetterei:
(a) cambiamenti molto lenti siano più suscettibili di essere di ampiezza elevata (poiché suggerisce che il sistema sta inseguendo la coda in modo tale da essere quasi in regola e che il feedback correttivo non lo sta portando rapidamente in linea e
(b) oscillazione a livello di MHz per essere più suscettibile di essere inferiore all'ampiezza normale in quanto suggerisce che la velocità di risposta del percorso di guadagno è un fattore importante nella velocità di risposta, ma può succedere di tutto.

Inoltre, come entra in gioco esattamente l'ESR?
Un passante ingenuo come me si aspetterebbe che la resistenza in serie inferiore fosse migliore.

L'intuitivo e il logico non sempre corrispondono.
Un regolatore è essenzialmente un amplificatore di potenza controllato in retroazione.
Se il feedback è complessivamente negativo, il sistema è stabile e l'uscita è DC.
Se il feedback del loop di rete è positivo, si ottiene l'oscillazione.
Il feedback complessivo è descritto da una funzione di trasferimento che coinvolge i componenti coinvolti. Puoi guardare la stabilità dal punto di vista, ad esempio, dei criteri di stabilità di Nyquist o (correlati) nessun polo sul semipiano destro e tutti i poli all'interno del cerchio dell'unità o ... agh !. È adeguato dire che il feedback dall'output all'input non rinforza l'oscillazione e che una resistenza troppo grande o troppo piccola può portare a un rinforzo globale se considerato come parte del sistema complessivo.
Semplice, utile . Scambio di stack
solo leggermente più complesso - buono
Sueful

Utile

Molte immagini correlate

E un'ultima nota, hai riferito che la tensione di ondulazione sul cappuccio è grande (anche per le piccole correnti) come un problema intrinseco a causa delle piccole dimensioni? (cioè Vc = integrale di corrente oltre la capacità?)

Dicono "... 0,3 ohm <= ESR <= 22 ohm ..."
Se si ha un ESR di 10 Ohm, allora ogni mA di corrente di ondulazione causerà 10 mV di variazione di tensione attraverso il condensatore. 10 mA di corrente di ripple = 100 mV di variazione di tensione e saresti molto insoddisfatto del tuo regolatore. Il regolatore attivo può funzionare per ridurre questa ondulazione, ma è bello non avere il condensatore del filtro che si aggiunge al problema che si desidera risolvere.


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Grazie per la risposta estremamente dettagliata e utile. Sono ancora un po 'perplesso sul perché in particolare chiamano tantalio, ma la tua risposta chiarisce che posso ignorarlo.
Jon Bright,

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L'ho letto tante volte: "mantieni la stabilità regolare". Quale sarebbe un esempio di regolatore instabile ? L'uscita oscillerebbe con un'ondulazione elevata o sarebbe indefinita? Cosa sarebbe successo esattamente? Inoltre, come entra in gioco esattamente l'ESR? Un passante ingenuo come me si aspetterebbe che la resistenza in serie inferiore fosse migliore. E un'ultima nota, hai riferito che la tensione di ondulazione sul cappuccio è grande (anche per le piccole correnti) come un problema intrinseco a causa delle piccole dimensioni? (cioè Vc = integrale di corrente oltre la capacità?)
sherrellbc

La maggior parte dei condensatori non si comporta come un singolo cappuccio in serie con un singolo resistore, ma piuttosto come un'enorme rete di resistori e condensatori interconnessi. Se un cappuccio da 100 uF si comportasse come una combinazione serie-parallelo contenente una combinazione in serie di un tappo da 0,1uf ideale e un ESR da 0,001 ohm in parallelo e una combinazione in serie di un tappo da 99,9 uF ideale e una resistenza da 100ohm, come sarebbe una scheda tecnica dovrebbe segnalare l'ESR di tale limite?
supercat,

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@sherrellbc - L'instabilità del regolatore, secondo la mia esperienza (e come ci si aspetterebbe) provoca l'oscillazione del regolatore, con segnale di alto livello e spesso ad alta frequenza in uscita e una tensione CC misurata con un misuratore non RMS che sembra essere CC stabile con un valore errato. Quello che segue è ciò che potresti vedere in circostanze tipiche: i risultati effettivi variano ampiamente ma questa è una guida. Guarda l'uscita con un oscilloscopio e potresti vedere ad esempio un'onda semi-sinusoidale da 100 kHz di 100's di mV ad alcuni Volt di ampiezza su un'uscita nominale di 5VDC. ...
Russell McMahon,

... A seconda dei parametri di feedback si potrebbe ottenere un'oscillazione a bassa frequenza, abbastanza lenta da vedere come variazioni su un misuratore "DC" e si potrebbero ottenere più segnali MHz. Mi aspetterei: (a) cambiamenti molto lenti siano più suscettibili di essere di ampiezza elevata (poiché suggerisce che il sistema sta inseguendo la coda in modo tale da essere quasi in regola e che il feedback correttivo non lo sta portando rapidamente in linea, e (b) oscillazione a livello di MHz per essere più suscettibile di essere inferiore all'ampiezza normale poiché suggerisce che la velocità di risposta del percorso di guadagno è un fattore importante nella velocità di risposta. MA può succedere di tutto.
Russell McMahon

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Ho trovato un riferimento interessante nella scheda tecnica LM3940 di TI (da 5 V a 3,3 V LDO).

I tantalio sono stati specificati perché elettrolitico può avere un aumento della VES fino a 30 volte a temperature molto basse.
È possibile collegare un piccolo tantalio in parallelo a un grande elettrolitico se il costo è un problema.

LIMITI ESR: L'ESR del condensatore di uscita causerà instabilità del circuito se è troppo alto o troppo basso. L'intervallo accettabile di ESR tracciato rispetto alla corrente di carico è mostrato nella Figura 19. È essenziale che il condensatore di uscita soddisfi questi requisiti, altrimenti potrebbero verificarsi oscillazioni.
Figura 19. Limiti ESR
È importante notare che per la maggior parte dei condensatori, ESR è specificato solo a temperatura ambiente. Tuttavia, il progettista deve assicurarsi che l'ESR rimanga entro i limiti indicati nell'intero intervallo di temperature operative per la progettazione. Per i condensatori elettrolitici in alluminio, l'ESR aumenterà di circa 30X quando la temperatura viene ridotta da 25 ° C a -40 ° C. Questo tipo di condensatore non è adatto per il funzionamento a bassa temperatura. I condensatori al tantalio solido hanno un ESR più stabile rispetto alla temperatura, ma sono più costosi degli elettrolitici in alluminio. Un approccio conveniente a volte usato è quello di mettere in parallelo un elettrolitico di alluminio con un tantalio solido, con la capacità totale divisa circa il 75/25% con l'alluminio come valore maggiore. Se due condensatori sono collegati in parallelo, l'ESR effettivo è il parallelo dei due singoli valori.


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Gli elettrolitici hanno scarse prestazioni ad alta frequenza rispetto ai tantalio. Al giorno d'oggi, con il prezzo del tantalio, consiglierei di utilizzare uno dei tuoi elettrolitici con un piccolo condensatore ceramico in parallelo - diciamo 100nF. Dipende da cosa stai alimentando, ma di solito non è poi così critico a meno che l'ondulazione e la risposta transitoria non siano particolarmente critiche per te.


la gente si trova in una situazione di ristagno mentale in occasioni - alluminio * cattivo elettrolitico - tantalio buono - deve usare tantalio ... Sarei felice di sentire qualcuno criticare la mia risposta per motivi tecnici. Se ho perso qualcosa o fatto un'affermazione tecnica significativamente errata, allora ditelo sicuramente. Ma non ci credo. * - Ora ho scritto l'alluminio "correttamente" come vedo che sei nel Regno Unito :-). La fiamma protegge.
Russell McMahon,

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@Russell McMahon - Huh? (1) Ho pubblicato la mia risposta prima di te, quindi non stavo criticando. (2) Sembra che siamo d'accordo comunque! (3) I condensatori di alluminio sono molto peggio dell'alluminio :)
MikeJ-UK,

mea culpa :-( - Ho confuso il commentatore con l'interrogatore - il commento doveva andare alla fine del mio post dopo il commento di Jon :-). Non ti stavo criticando, scusami se sembrava così. Volevo commentare la domanda di Jon sul perché avrebbero speculato sul tantum, data l'apparente mancanza di necessità. Ancora una volta mi dispiace.
Russell McMahon,
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