Srovnávací test kondenzátorů pro výstup DC/DC měničů

Úvod Výběr vhodného výstupního kondenzátoru hraje důležitou roli v návrhu spínaných napěťových konvertorů. Ve své pří- ručce IC Power Handbook [1] uvádí přední výrobce čipů pro zdroje National Semiconductor že „99 % chyb při návrhu lineárních stabilizátorů a spínaných zdrojů má spojitost s nevhodným použitím kondenzátorů“ Důležitost výstupních kondenzátorů ve spínaných DC/DC konvertorech je dána jejich funkcí – společně s hlavní cívkou jsou zásobníkem energie proudící na výstup a také vyhlazují výstupní napětí.

Dnes bychom těžko nalezli spotřební, průmyslovou nebo třeba lékařskou elektroniku, která by nevyužívala napěťový regulátor. Návrháři využívají zejména dva druhy regulátorů ke snížení napětí, buď lineární stabilizátory LDO (low dropout – nízký úbytek) a spínané DC/ DC konvertory snižující vstupní napětí (step-down), které jsou upřednostňovány tam, kde je požadován větší rozdíl vstupního a výstupního napětí, kde vykazují vyšší účinnost. Tento druh obvodu byl vybrán pro naše srovnávací měření, protože je zároveň nejčastěji využíván ve zdrojových obvodech současné elektroniky.

Frekvenční závislost kapacity, ekvivalentního sériového odporu (ESR) a jejich stabilita s okolní teplotou a stejnosměrným předpětím (DC bias) jsou důležitými parametry výstupních kondenzátorů určující funkční kvalitu celého napájecího systému. Za účelem srovnání byly tyto klíčové parametry měřeny na kondenzátorech různých technologií.

Notebooky jsou jednou z nejnáročnějších aplikací, kde jsou na DC/DC měniče kladeny nároky na vysoké výstupní proudy. Napájecí napětí notebooků bývá v rozmezí 15 až 22 V a jejich vnitřní napájecí sběrnice mají typická jmenovitá napětí 3,3 V a 5 V. Výrobci polovodičových součástek ve snaze uspokojit poptávku vyvinuli řídicí obvody spínaných zdrojů optimalizované pro tyto napěťové rozsahy. Jeden vývojový kit spínaného zdroje vhodného pro notebooky s řídicím obvodem Maxim MAX1537 byl vybrán pro sledování chování různých technologií výstupních kondenzátorů.

Měřicí vybavení

Nejprve byly měřeny frekvenční charakteristiky kapacity a ESR dvou skupin kondenzátorů. První skupina obsahovala kondenzátory různých technologií pro výstup 3,3 V se jmenovitou kapacitou C=220 µF, druhá skupina pak zahrnovala kondenzátory pro výstup 5 V se jmenovitou kapacitou C=150 µF. Elektrické parametry byly měřeny impedančním analyzátorem HP 4194A [4] v rozsahu frekvencí 120 Hz až 1 MHz pro kapacitu a 120 Hz až 10 MHz pro ESR.

Teplotní stabilita zdroje je běžným požadavkem výrobců elektroniky, proto jsme se v následujícím měření stability kapacity a ESR srovnávaných kondenzátorů rozhodli vyrovnat i s teplotou a stejnosměrným předpětím. Skupina kondenzátorů pro výstup 3,3 V zde byla měřena impedančním analyzátorem HP 4192A a přepínacím systémem Keithley 7002 v rozsahu stejnosměrného předpětí 0 až 4 V s umístěním měřených kusů v laboratorní peci Votsch VC 7018 a rozsahem teplot od –55 °C až k +125 °C.

Vývojový kit firmy Maxim Integrated Products s označením MAX1537EV KIT [3] byl použit pro porovnávací test. Zařízení poskytuje dva výkonové výstupy s napětími 3,3 V a 5 V s maximálním zatěžujícím proudem shodně Iout=5 A. Fotografie vývojového kitu je na obr. 1. Doporučená kapacita kondenzátoru pro výstup 3,3 V je C=220 µF (viz pozice C6 na obr. 2), pro výstup 5 V je to kapacita C=150 µF. Velikost střídavé složky výstupního napětí byla měřítkem kvality filtrace. Stabilizovaný zdroj Goldstar GP-505 byl použit pro napájení zařízení napětím Vin=20 V.

Obr. 1 Vývojový kit MAX1537EV KIT

Obr. 2 Část schématu vývojového kitu MAX1537EV s výstupem 3,3 V

Zátěž výstupů byla vytvořena paralelní kombinací výkonového rezistoru a kondenzátoru tak, aby byl zajištěn odběr proudu na úrovni 2 /3 maxima. Pro výstup 3,3 V to byla kombinace rezistoru s odporem R=2,2 Ω a tantalového kondenzátoru s kapacitou C=4,7 µF. Pro výstup 5 V byl použit rezistor R=3,2 Ω a stejný kondenzátor (viz obr. 3). Napěťové průběhy a jim odpovídající efektivní hodnoty střídavé složky výstupního napětí byly zobrazovány na digitálním osciloskopu Agilent Infiniium 54830B [5].

Obr. 3 Měřicí zapojení vývojového kitu MAX1537EV

Frekvenční charakteristiky různých kondenzátorů pro výstup 3,3 V

Předchozí dva grafy ukazují frekvenční závislosti kondenzátorů různých technologií použitých pro výstup 3,3 V vývojového kitu s nominálními kapacitami C=220 µF (kromě keramického, kde byly použity dva kondenzátory s C=100 µF paralelně). Vybrané technologie kondenzátorů byly tantal-polymerová, tantal-MnO2 (jednoanodová a víceanodová konstrukce), oxid niobu-MnO2 , vícevrstvá keramická (MLCC) a hliníková elektrolytická (Al-El).

V případech tantal-polymerové a tantal-MnO2 vícenanodové technologie vidíme ve frekvenčním rozsahu 10–100 kHz relativně malý pokles kapacity (viz obr. 4), naopak tantal-MnO2 a Al-El technologie vykazuje větší propad kapacity ve stejném rozsahu frekvencí. Kapacita MLCC kondenzátoru je snížena vlivem stejnosměrného předpětí, které bylo při měření použito, ovšem udržuje si vyšší hodnotu než ostatní technologie na vyšších frekvencích. Velmi nízké hodnoty ESR u MLCC kondenzátoru a relativně nízké hodnoty ESR u tantal-polymerového kondenzátoru jsou patrné z obr. 5. Hodnota ESR Al-El kondenzátoru byla relativně vysoká přes celý měřený rozsah frekvencí.

Obr. 4 Závislost kapacity na frekvenci kondenzátorů pro výstup 3,3 V

Obr. 5 Závislost ESR na frekvenci kondenzátorů pro výstup 3,3 V

Podobné grafy popisují chování těchto kondenzátorových technologií při výstupním napětí 5 V vývojového kitu s nominálními kapacitami C=150 µF (kromě MLCC a Al-El se shodnou kapacitou C=100 µF). Technologie kondenzátorů jsou stejné jako v případě výstupu 3,3 V.

Kondenzátory technologie tantal-MnO2 jednoanodové i víceanodové společně s MLCC technologií vykazují vyšší kapacitu na frekvencích nad 100 kHz než zejména kondenzátory technologie niob oxid-MnO2 a Al-El. MLCC kondenzátor měl změřenu velmi nízkou hodnotu ESR v okolí frekvence 100 kHz, tantal-MnO2 a tantal-polymerový kondenzátor měl relativně nízký ESR přes celý rozsah měřených frekvencí a naopak Al-El kondenzátor měl ESR nejvyšší přes celý rozsah.

Stabilita kapacity se stejnosměrným předpětím a teplotou

Detailní měření za použití laboratorní pece ukázala, že největší stabilitu kapacity mají kondenzátory s tantal-MnO2 technologií. Na obr. 6 jsou pro stručnost zobrazeny výsledky pouze dvou typů kondenzátorů. Kapacita niob oxid-MnO2 kondenzátoru byla citlivější na velikost stejnosměrného předpětí a kapacita tantal-polymerového kondenzátoru je citlivější na změny teploty. Kapacita MLCC keramického kondenzátoru je velmi závislá na předpětí i teplotě. Kapacita Al-El kondenzátoru je stabilní se stejnosměrným předpětím, avšak velmi závislá na okolní teplotě.

Obr. 6 Stabilita kapacity kondenzátorů různých technologií pro výstup 3,3 V

Stabilita ESR se stejnosměrným předpětím a teplotou

ESR kondenzátorů všech technologií je v závislosti na stejnosměrném předpětí relativně stabilní. Rozdíly je možné pozorovat, pokud sledujeme závislost na okolní teplotě. Na obr. 7 jsou opět pro stručnost zobrazeny výsledky pouze dvou typů kondenzátorů. Tantal-polymerové a MLCC kondenzátory vykazují nejstabilnější ESR s teplotou, přičemž hodnota ESR u keramického kondenzátoru je velmi nízká. U kondenzátorů tantal-MnO2 a niob oxid-MnO2 s rostoucí teplotou ESR mírně klesá. Hliníkový elektrolytický (Al-El) kondenzátor vykazoval velmi vysoké hodnoty ESR na nízkých teplotách kvůli omezené vodivosti jeho elektrolytu za těchto podmínek.

Obr. 7 Stabilita ESR kondenzátorů různých technologií pro výstup 3,3 V

Zvlnění napětí na výstupním kondenzátoru DC/DC měniče

Obr. 8 ukazuje různá zvlnění výstupního napětí DC/DC měniče podle toho, jaký výstupní kondenzátor byl použit. Na obrázcích je patrné, že kondenzátory s technologií využívající MnO2 mají nižší úroveň vyšších harmonických složek ve zvlnění výstupního napětí než mají kondenzátory s polymerem a to pro oba  výstupy 3,3 V i 5 V. Dominantní frekvence zvlnění je přirozeně rovna spínací frekvenci měniče fsw=300 kHz. Při použití MLCC kondenzátorů v obou případech u 3,3 V i 5 V výstupu měnič osciloval s frekvencí přibližně fosc=50 kHz a vykazoval vysoké zvlnění (měřeno efektivní hodnotou střídavé složky výstupního napětí) kvůli nestabilitě regulační smyčky. Hliníkové elektrolytické kondenzátory v obvodu způsobovaly vysoké hodnoty napěťového zvlnění u obou výstupů.

Obr. 8 Zvlnění výstupního napětí výstupu 3,3 V s vybranými kondenzátory

Vliv okolní teploty na zvlnění výstupního napětí

Grafy na obr. 9a a 9b ukazují zejména teplotní závislosti efektivní hodnoty střídavé složky výstupních napětí (Urms) pro hliníkové elektrolytické a MLCC kondenzátory. Obr. 9b vpravo pak zobrazuje naznačený zvětšený rozsah hodnot Urms z obrázku vlevo. Zvlnění měřené Urms klesá téměř lineárně s rostoucí teplotou pro většinu kondenzátorů obou výkonových výstupů. Hliníkové elektrolytické a MLCC kondenzátory jsou v tomto ohledu odlišné a to v důsledku jejich exponenciálních průběhů kapacity a ESR s teplotou (viz obr. 6 a obr. 7). Hliníkové elektrolytické kondenzátory v předchozích měřeních vykazovaly relativně vysoké hodnoty ESR přes široký rozsah teplot, což vede k většímu zvlnění napětí na výstupu měniče, tudíž jejich schopnost vyhlazovat napětí je omezená. Při použití keramických MLCC kondenzátorů, v našem případě velmi nízká hodnota ESR, způsobovala nestabilitu regulační smyčky měniče vedoucí k velkému zvlnění na výstupu. Mezi ostatními technologiemi lze pozorovat spojitost mezi ESR kondenzátorem, kapacitou na spínací frekvenci a zvlněním: nižší ESR a vyšší kapacita je garantem menšího zvlnění, ovšem je nutné též uvažovat teplotní změny parametrů.

Obr. 9a a 9b Porovnání efektivních hodnot střídavých složek napětí výstupu 3,3 V; zvětšený detail grafu vpravo

Shrnutí

Malého výstupního napěťového zvlnění u DC/DC spínaného zdroje může být dosaženo použitím výstupního kondenzátoru s nízkým ESR na spínací frekvenci, v našem případě byly nejvhodnější kondenzátory tantal-polymerové a tantal-MnO2 s vícenanodovou konstrukcí. Pokles kapacity při spínací frekvenci ve vztahu k poloze vlastního rezonančního bodu je také důležitý.

Tantal-MnO2 kondenzátory lze doporučit pro aplikace s proměnlivým výstupním napětím, protože mají velmi stabilní kapacitu se stejnosměrným předpětím.

Doporučujeme konstruktérům, aby brali v úvahu stabilitu kapacity a ESR s okolní teplotou s ohledem na prostředí, ve kterém bude systém provozován. Z tohoto pohledu se tantal-polymerové tantal-MnO2 kondenzátory jeví jako nejstabilnější a naopak MLCC a hliníkové elektrolytické jako nejméně stabilní.

Při porovnání rozměrů kondenzátorů jsme zjistili, že tantal-polymerové a tantal-MnO2 kondenzátory měly se svou sníženou výškou nejmenší rozměry následované niob-MnO2 kondenzátorem s poněkud větší výškou. Radiální vývodový hliníkový elektrolytický kondenzátor má celkově výrazně větší objem než ostatní SMD kondenzátory.

Jako hlavní nosič energie hraje výstupní kondenzátor důležitou roli ve funkčnosti a vlastnostech DC/DC spínaných zdrojů. Kapacita a ESR výstupního kondenzátoru může ovlivnit stabilitu zpětnovazební smyčky měniče, proto by tyto parametry měly být v určitém pásmu zajišťujícím stabilitu systému. Při našich měřeních vykazovaly MLCC kondenzátory příliš nízkou hodnotou ESR (1 až 2 mΩ), což způsobilo oscilace výstupního napětí s velkým zvlněním. Proto nemůžeme MLCC kondenzátory doporučit pro použití za podmínek našeho experimentu. Pro použití MLCC obecně doporučujeme prověřit podmínky stability regulační smyčky zdroje.

Použití běžných hliníkových elektrolytických kondenzátorů vedlo k velkému zvlnění výstupního napětí v důsledku vysokého ESR. Tento typ kondenzátoru je nejméně vhodným pro aplikace na nízkých teplotách.

Na základě měření s vývojovým kitem DC/DC spínaného zdroje Maxim MAX- 1537EV KIT můžeme vyvodit, že použití výstupních kondenzátorů s nízkým ESR jako tantal-polymerových a tantal-MnO2 , zejména s víceanodovou konstrukcí, vede k nejlepším dosaženým parametrům měřeno efektivní hodnotou střídavé složky výstupního napětí (AC Urms) a její teplotní stabilitou. Keramické kondenzátory lze použít se zřetelem na stabilitu obvodu a hliníkové elektrolytické pouze s ohledem na velké zvlnění. Dobrého poměru cena/výkon lze dosáhnout volbou niob oxidových kondenzátorů.