Jak při návrhu zdroje napájení snížit velikost a počet výstupních kapacit

Výstupní kondenzátory napájecího zdroje, které obvykle bývají v keramickém provedení a s hodnotami mezi 100 nF a 100 μF, stojí peníze, zabírají místo a v případě problémů s jejich dodávkou může být rovněž obtížné je získat. Zas a znova tedy vyvstává otázka, jak mohou být počet a velikost výstupních kondenzátorů minimalizovány.

Význam výstupní kapacity

Pro naše účely zde budou klíčové dva vlivy – dopad výstupních kondenzátorů na zvlnění výstupního napětí a rovněž na velikost výstupního napětí po změně zatížení.

Nejprve dovolte malou poznámku k výrazu výstupní kondenzátor. Zmíněné kapacity lze běžně najít na výstupu zdroje napájení. Spousta elektrických zátěží (v roli spotřebiče energie), jako jsou např. pole FPGA, nicméně vyžaduje též určitý počet vstupních kapacit. Typické řešení napájecího zdroje se zátěží v podobě FPGA vidíme na obr. 1. Pokud však bude fyzická vzdálenost mezi místem výroby energie a jejím spotřebitelem na desce plošného spoje očividně malá, začne se jinak jasný rozdíl mezi výstupní kapacitou zdroje napájení a vstupním kondenzátorem na straně zátěže stírat.

K odlišení zpravidla dochází díky určitému fyzickému odstupu, což má ovšem za následek významnou parazitní indukčnost (L_layout). Sada kapacit na výstupu napájecího zdroje rozhoduje o zvlnění napětí snižujícího spínaného regulátoru. Prakticky můžeme říct, že výstupní napěťové zvlnění odpovídá zvlnění proudu tekoucímu indukčností násobeno impedancí výstupních kapacit:

V_Δ = I_LΔ × Z_{Cout (1)}

Zmíněnou impedanci ZCout pak spoluutváří velikost a počet kondenzátorů, stejně jako ekvivalentní sériový odpor (ESR) a ekvivalentní sériová indukčnost (ESL). V případě jedné kapacity na výstupu zdroje napájení se výše uvedená rovnice použije velmi jednoduše. Pokud ale máme složitější situaci (viz také obr. 1) s větším počtem paralelně zapojených kondenzátorů a sériovými indukčnostmi vznikajícími díky layoutu (L_layout), nebude již výpočet tak snadný.

V takovém případě se bude skvěle hodit simulační nástroj typu LTspice®. Na obr. 2 je zachyceno schéma zapojení, které bylo rychle vytvořeno tak, aby odpovídalo situaci z obr. 1. K jednotlivým kapacitám lze přiřadit různé hodnoty, včetně ESR a ESL. Rovněž je možné započítat předpokládané vlivy, pokud jde o layout desky, třeba L_layout. Napěťové zvlnění pak bude simulováno na výstupu spínaného regulátoru a na vstupu připojené zátěže.

Výstupní kondenzátory rovněž ovlivňují offset výstupního napětí po změně zatížení. Díky LTspice® lze pak simulovat i tento dopad. Zde je především nutné zdůraznit, samozřejmě s určitým omezením, vzájemnou souvislost mezi rychlostí řídicí smyčky zdroje napájení a impedancí výstupních kondenzátorů. Rychlejší řídicí smyčka zdroje dokáže snížit počet výstupních kondenzátorů potřebných k tomu, abychom v důsledku změn v zatížení stále setrvali uvnitř příslušného okna.

Konečně je zapotřebí zmínit i neméně důležitou funkci obvodu LTC3311-1, AVP (adaptive voltage positioning). AVP dokáže pracovat se vstupním „budgetem“, pokud jde o odchylku napětí, a snižovat počet výstupních kondenzátorů nad rámec toho, čeho jsou vývojáři schopni. Využije přitom navýšení šířky pásma smyčky. V případě nízkého zatěžování AVP nepatrně zvyšuje výstupní napětí a pro vysoká zatížení je zase trochu snižuje. Jakmile tedy dojde ke změně v zatížení, bude se v rámci přípustného výstupního napěťového rozsahu nacházet i větší počet odchylek dynamického výstupního napětí.

Pro zjištění, které optimalizace řídicí smyčky jsou na místě a jak moc výstupních kondenzátorů se lze „zbavit“, je doporučeno využít LTpowerCAD® od společnosti Analog Devices. Na obr. 3 sledujeme výsledek odrážející výpočet rychlosti řízení. Povšimněte si též spočítaného napěťového překmitu následujícího po změně v zatížení. K optimalizaci může dojít díky změně výstupních kondenzátorů a přizpůsobení rychlosti řídicí smyčky spínaného regulátoru.

Jakmile si tedy prověříme ty správné parametry, dokážeme snížit i počet výstupních kondenzátorů napájecího zdroje. Ušetříme tím peníze, ale také místo na desce plošného spoje, takže se zmíněný postup během vývoje určitě vyplatí.

Odkazy:

[1] Obvody LTC3311, https://www.analog.com/en/products/ltc3311.html