Come dimensionare il condensatore di uscita per un alimentatore da banco DC?

Sto progettando un alimentatore da banco DC e ho deciso di scegliere il condensatore di uscita. Ho identificato una serie di criteri di progettazione correlati, ma trovo che il mio ragionamento vada ancora un po 'in circolo mentre provo a metterli in sequenza in un processo di progettazione ragionevole.

Ecco lo schema di lavoro per darti un'idea in cosa andrà a finire. Il circuito a corrente costante non è rappresentato.

Ecco le considerazioni / relazioni che ho capito finora:

• Durante una fase di caricamento rapido, modera la variazione della tensione di uscita undershoot / overshoot) nell'intervallo richiesto per il circuito di controllo per rispondere. In generale, un condensatore più grande produce un under / overshoot più piccolo.$C_{out}$

• partecipa nella risposta in frequenza del circuito di regolazione. Contribuisce a unpoloper la sua interazione con la resistenza di carico e unozeroper la sua interazione con la propria effettiva resistenza in serie (ESR).$C_{out}$

• In generale, un circuito di controllo più rapido (larghezza di banda più elevata) riduce la capacità di uscita richiesta per ottenere un determinato undershoot.

• La porzione di sotto / superamento prodotta dalla ESR di (il bit destra verticale al passaggio) non può essere ridotta di un anello di controllo più veloce. La sua dimensione è puramente una funzione della corrente (dimensione del gradino) e dell'ESR.$C_{out}$

• Il circuito pilotato dall'alimentazione può e spesso contribuirà con capacità aggiuntive, ad esempio la somma dei condensatori di bypass della barra di alimentazione in un circuito collegato. Questa capacità appare in parallelo con . Non è impossibile questi possono uguagliare o superare il valore di C o u t , provocando la C o u t palo per spostare un'ottava o più basso. Le prestazioni dell'alimentatore dovrebbero degradare con garbo in questa situazione e non cadere in oscillazione, per esempio.$C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$

• L'energia immagazzinata nella capacità di uscita è al di fuori del controllo dei circuiti di limitazione della corrente dell'alimentatore. Mentre l'uso di un grande condensatore di uscita può nascondere alcuni peccati nel design del circuito di controllo, espone il circuito collegato al rischio di sovracorrenti incontrollate.

• Quando il setpoint di tensione viene abbassato, il condensatore di uscita deve essere scaricato abbastanza rapidamente da soddisfare le specifiche per la velocità di programmazione verso il basso, anche quando non è collegato alcun carico. Deve essere presente un percorso di scarica proporzionale alla capacità di uscita e alla velocità di downprogrammazione specificata. In alcuni casi il circuito di campionamento della tensione di uscita (divisore resistivo) può essere adeguato; in altri casi potrebbe essere necessaria una resistenza di shunt o altra caratteristica del circuito.

Quindi la mia domanda è: "Come approccio alla selezione del condensatore di uscita per la progettazione del mio alimentatore da banco DC?"

La mia ipotesi migliore è questa:

• $C_{out}$
• Lavorare all'indietro dalle specifiche di undershoot (diciamo 50 mV max, preferibilmente 25 mv) alla massima tensione di uscita (30 V) per un passaggio a pieno carico (0-300 mA) e, considerando l'ESR dei condensatori disponibili, vedere che tipo di larghezza di banda richiederei mantenere lo undershoot entro le specifiche.
• $C_{out}$

Sono sulla buona strada? Qualsiasi consiglio da parte di professionisti più esperti verrà molto grato :)

Sembra che tu abbia l'intero circuito in LTspice comunque. Un'analisi di avvio ti dirà la maggior parte delle cose che vuoi sapere. Sostituisci la tua sorgente DC "grande" (45 V) con una sorgente che ha una definizione di impulso, ovvero una che inizia a 0 V e passa a 45 V in breve tempo (diciamo 10 ... 100 ns), dopo poco tempo (dire 1 µs). In questo modo, tutti i condensatori verranno inizializzati per un circuito non alimentato e vedrai il tuo regolatore fare il meglio per caricare il condensatore di uscita. Usando questa configurazione, ottieni l'immagine completa: in primo luogo, il condensatore di uscita non caricato produce un corto circuito sull'uscita, quindi vedi il tuo regolatore iniziare al massimo. attuale. Una volta che la tensione sul condensatore di uscita raggiunge il valore desiderato, sarai anche in grado di osservare qualsiasi possibile superamento.

Un approccio alternativo sarebbe quello di includere una sorgente corrente (in realtà, sink) in uscita, avanzando tra 0 A e il tuo max. corrente di uscita desiderata.

Come regola generale, inizierei con 1000 µF per 1 A di max. corrente di uscita progettata e valori di prova (".step param") inferiori e superiori (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4,7 mF, 10 mF). Inoltre, le cose non diventeranno troppo critiche: il tuo transistor di passaggio è un NPN, e questo design è sostanzialmente stabile comunque (al contrario di un LDO, che utilizza un transistor di passaggio PNP).Un'analisi di stabilità del tuo circuito potrebbe davvero essere una buona idea; anche se il tuo schema elettrico assomiglia molto a un regolatore lineare con un transistor a passaggio collettore comune a prima vista, hai davvero un circuito emettitore comune e quelli tendono ad essere instabili. Il motivo è che l'impedenza di uscita di un comune amplificatore del collettore è all'incirca l'impedenza di pilotaggio della base del transistor, divisa per la beta del transistor e questo valore non cambia in modo significativo quando il carico varia, ed è basso . D'altra parte, l'impedenza di uscita dell'amplificatore di un emettitore comune è definita dal carico stesso, che rimane al meglio entro un certo intervallo, ma ovviamente non può essere progettato nel regolatore di tensione stesso. (*)

Ecco una fonte con una spiegazione davvero valida sulla stabilità di un regolatore lineare, ma dobbiamo scambiare "PNP" e "NPN" nel nostro esempio, perché qui non stiamo trattando (!) Lo stesso circuito. Per il modo "usuale" il transistor di passaggio è cablato in regolatori lineari, la citazione è: "Il transistor PNP in un regolatore LDO [...] è collegato in una configurazione chiamata emettitore comune, che ha un'impedenza di uscita maggiore rispetto al comune configurazione del collettore nel regolatore NPN. " (National Semiconductor - ora TI - app'note AN-1148, sezione 9)

(*) Ho dovuto modificare la mia prima versione della risposta perché avevo trascurato alcuni problemi importanti. Come si può vedere in alcuni commenti ad altri post, il problema ha a che fare con la riparazione di apparecchiature di laboratorio vintage e non si può mai imparare abbastanza riparando cose. Ecco un estratto dall'articolo di Jim Williams "L'importanza del fissaggio", pubblicato nel libro ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN:

Oh, come mi piace la parte dello scherzare ...

Fondamentalmente è necessario considerare i casi migliori e peggiori per il carico, in termini di resistenza equivalente e capacità equivalente (che va di pari passo con il limite di uscita). Non è possibile progettare per qualsiasi carico.

Per i valori estremi della resistenza di carico, è abbastanza facile decidere un valore minimo in quanto questo è determinato dalla corrente massima che l'elemento passante può fornire. Ma devi anche considerare un carico ad alta impedenza perché tira il polo di uscita a frequenze più basse, compromettendo eventualmente la stabilità.

Se hai intenzione di collegarlo come carico di una scheda che ha notevoli condensatori di bypass / serbatoio al suo ingresso, non puoi ignorare il loro effetto sul tuo regolatore. Le schede con 470-1000uF sul loro ingresso DC possono essere incontrate senza troppe difficoltà.

Inoltre, in pratica, il tuo regolatore non reagirà allo stesso modo ai transitori negativi e positivi. È necessario valutare la risposta del passaggio su dump di carico positivi e negativi. Devi preoccuparti se il modello SPICE per l'opamp che usi sarà abbastanza buono per prevedere / simulare questa differenza.

Per ulteriori letture raccomando il libro di Rincon-Mora sugli LDO. Per quanto ne so, è l'unico recente libro [vale a dire in stampa] sui regolatori lineari e ha una certa esperienza nel settore (ha lavorato presso TI). Il primo capitolo del libro ha la teoria / le formule e alcuni esempi per calcolare / stimare la risposta transitoria e c'è un capitolo sulla progettazione del sistema che va in stabilità. Purtroppo, poiché il libro si concentrava sui regolatori a livello di scheda, gli esempi di progettazione elaborati nel libro (ma non la teoria) di solito presumono che la capacità di carico sia [almeno] un ordine di grandezza inferiore al limite di uscita del regolatore . Il suo mantra di approccio progettuale è fondamentalmente "il ciclo di progettazione di un regolatore lineare di solito inizia all'uscita e termina con l'ingresso".