Welche der beiden Kondensatortypen – Keramik oder Elektrolyt – sich als Ausgangskondensatoren für Schaltnetzteile am besten eignet, richtet sich vor allem nach den gewünschten Spezifikationen der Stromversorgung.

Elektrolyt kontra Keramik

Elektrolyt-Kondensatoren weisen normalerweise einen relativ großen Innenwiderstand (ESR) auf, der zu hohen Verlusten führt und ein ungünstiges Ansprechverhalten für Anwendungen zur Folge hat, die auf Lastsprünge schnell reagieren müssen. Als Vorteile von Elektrolyt-Kondensatoren gelten hingegen die stabile Kapazität bei hoher Vorspannung und der günstige Preis.

Eckdaten

Während sich Keramiktypen als Ausgangskondensatoren für Schaltnetzteile bei hohen Frequenzen am besten bewähren, eignen sich Elektrolytvarianten mit hohen Kapazitätswerten für niedrige Frequenzen. Ein stabiles Design mit gemischten Ausgangskondensatoren auf herkömmliche Art mit Stift und Papier zu entwerfen, ist schwierig. Mit Webench Power Designer von Texas Instruments gibt es ein Tool, das Designs mit gemischten Kondensatortypen auf einfache Weise ermöglicht.

Keramik-Kondensatoren haben zwar einen niedrigen ESR, allerdings verringert sich ihre Kapazität bei hoher Vorspannung erheblich. Ausführungen mit hohen Kapazitätswerten können zudem recht teuer sein.

In Abwärtswandlern kommen meist nur Ausgangskondensatoren einer Bauart zum Einsatz, weil Entwicklungen mit unterschiedlichen Kapazitätswerten und ESRs als schwierig gelten. Viele Ingenieure sind deshalb zum Einsatz von teureren Kondensatorbauarten wie zum Beispiel Polymer- oder Tantal-Kondensatoren gezwungen, deren Innenwiderstand kleiner ist als der von Elektrolyt-Kondensatoren, wenn auch nicht so niedrig wie der von Keramik-Kondensatoren.

Mit entsprechenden Entwicklungstools lassen sich heute stabile Schaltungen jedoch auch mit verschiedenen Kondensatortypen entwickeln. So etwa Gleichspannungswandler, die am Ausgang verschiedene Kondensatortypen enthalten.

Bild 1: Idealisierte Darstellung eines Lastsprungs.

Bild 1: Idealisierte Darstellung eines Lastsprungs. Texas Instruments

Aufgaben der Ausgangskondensatoren

Doch welche Aufgabe genau hat der Ausgangskondensator in einem System überhaupt? Die idealisierten Kurven in Bild 1 verdeutlichen, wie sich die Eigenschaften des Ausgangskondensators auswirken und an welcher Stelle sie sich bei einem Lastsprung zeigen.

Die bei einem Lastsprung erkennbaren Spitzen resultieren in erster Linie aus der effektiven Serieninduktivität (ESL) beziehungsweise der Impedanz des Ausgangskondensators bei sehr hohen Frequenzen. Durch die Stromflanken in der Induktivität entstehen die Über- und Unterschwinger. Aus dem Regenerationsvorgang nach dem Lastsprung resultieren ebenfalls Über- und Unterschwinger.

Bild 2: Effektive Kapazität von zwei verschiedenen X7R-Kondensatoren mit 22 µF und 25 V.

Bild 2: Effektive Kapazität von zwei verschiedenen X7R-Kondensatoren mit 22 µF und 25 V. Texas Instruments

Um die niederfrequenteren Störungen zu minimieren, ist die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie erforderlich. Auch die Reaktionszeit des Spannungsregelkreises wirkt sich hier aus. Wichtig sind also eine große Regelkreisbandbreite, ein niedriger ESR-Wert und eine hinreichend große Kapazität mit angemessener Speicherkapazität.

Über- und Unterschwinger sind entscheidend

Zwei Faktoren sind entscheidend für die Realisierung eines Ausgangs, der unter Last nur geringe Störungen aufweist. Erstens ist dies die Höhe der Über- und Unterschwinger, die der Regelkreis zulässt. An zweiter Stelle steht, wie hoch die Spannungswelligkeit bei der jeweiligen Schaltfrequenz ist.

Bild 3: Impedanz von Keramik- und Elektrolyt-Kondensatoren als Funktion der Frequenz.

Bild 3: Impedanz von Keramik- und Elektrolyt-Kondensatoren als Funktion der Frequenz. Texas Instruments

Die maximalen Über- und Unterschwinger resultieren näherungsweise aus dem Produkt aus Lastsprungstrom und Impedanz der Ausgangskondensatoren bei der Durchtrittsfrequenz des Regelkreises (Gleichung 1).

VOVER/UNDERSHOOT ≈ Δ IOUT x ZOUT (fC)          (1)

Die Gleichung verdeutlich, wie wichtig es ist, dass der Ausgangskondensator bei der Durchtrittsfrequenz des Regelkreises (fC) eine niedrige Impedanz aufweist. In der Regel sollte fC ungefähr ein Zehntel der Schaltfrequenz betragen. Ein höherer Wert für fC minimiert die Über- und Unterschwinger.

Die Spannungswelligkeit am Ausgang VRIPPLE ist näherungsweise das Produkt aus der Ausgangsimpedanz des Kondensators bei der jeweiligen Schaltfrequenz und dem Strom durch die Induktivität (Spitze/Spitze oder PP).

VRIPPLE ≈ IL(PP) x ZOUT (fSW)              (2)

Aus Gleichung 2 ist ersichtlich, dass sich die Spannungswelligkeit am Ausgang verringert, wenn man den Drosselstrom (Peak-to-Peak) reduziert, was durch die Wahl eines höheren Induktivitätswerts möglich ist.

Spannungswelligkeit minimieren

Das Verfahren ist jedoch mit Nachteilen behaftet. Effektiver lässt sich die Spannungswelligkeit minimieren, indem man die Impedanz des Ausgangskondensators bei der Schaltfrequenz herabsetzt. Die zur Reduzierung der Spannungswelligkeit verwendete Impedanz ist bei einer wesentlich höheren Frequenz angesiedelt, da die Schaltfrequenz etwa zehnmal so hoch ist wie die Durchtrittsfrequenz des Regelkreises.

Um die Spannungswelligkeit sowie die Überschwinger bei Lastsprüngen zu minimieren, muss der Regler eine hohe Durchtrittsfrequenz aufweisen. Außerdem sollte genügend Kapazität zur Energiespeicherung vorhanden sein, und die Impedanz der Ausgangskondensatoren sollte über die Frequenz niedrig bleiben.

Ausgangskondensatoren minimieren Ausgangsimpedanz

Im Idealfall hat der Ausgangskondensator eine hohe Kapazität für die Energiespeicherung und weist bei der Durchtrittsfrequenz des Regelkreises sowie bei der Schaltfrequenz eine niedrige Impedanz auf. Polymer- und Tantal-Kondensatoren gibt es mit hohen Kapazitätswerten und niedrigem ESR. Allerdings ist ihr Innenwiderstand noch immer nicht so gering wie der von Keramik-Kondensatoren.

Elektrolyt-Kondensatoren wiederum eignen sich, wenn große Kapazitäten zu niedrigen Kosten nötig sind. Allerdings sind ihre ESR- und ESL-Werte höher, sodass sie ungeeignet sind, wenn ein gutes Lastsprungverhalten am Ausgang zu erzielen ist.

Dank niedriger ESR- und ESL-Werte eignen sich Keramik-Kondensatoren besonders, wenn Entwickler gute Lastsprungeigenschaften anstreben. In ihren Kapazitätswerten sind Keramik-Kondensatoren jedoch begrenzt. Typen mit Kapazitäten von 22 µF oder weniger sind relativ kostengünstig. Allerdings sinkt ihre effektive Kapazität mit steigender Spannung, sodass es schwieriger wird, einen ausreichenden Energiespeicher für große Lastsprünge bereitzustellen.

Kennlinien überprüfen

Die mit der Software TDK Seat erstellten Kurven in Bild 2 zeigen die Auswirkungen von VBIAS auf die effektive Kapazität. Zu sehen ist, dass die effektiven Kapazitäten der beiden Keramik-Kondensatoren mit 22 µF Nennkapazität bei 12 V Vorspannung auf 19 µF beziehungsweise 16 µF zurückgehen. Interessant ist, dass zwei X7R-Kondensatoren mit 22 µF und 25 V vom selben Anbieter derart stark abweichende VBIAS-Kurven aufweisen. Entwickler sollten daher die tatsächliche VBIAS-Kennlinie überprüfen.

Ebenfalls mit der Software TDK Seat wurden die Kurven in Bild 3 erstellt. Sie zeigen die Impedanz von Keramik-Kondensatoren mit 22 µF und 47 nF über die Frequenz. Der 22-µF-Kondensator weist bei Frequenzen ab 100 kHz eine geringe Impedanz auf, bietet jedoch nicht genügend Kapazität zum Speichern von Energie.

Zu dem Elektrolyt-Kondensator lässt sich jedoch der 22-µF-Keramik-Kondensator parallelschalten, was auch bei Frequenzen unter 100 kHz für eine niedrige Impedanz sorgt. Der Elektrolyt-Kondensator hat bei niedrigen Frequenzen seine Vorzüge, weil er eine hohe Kapazität aufweist. Durch die Erweiterung des Designs um einen kleinen Keramik-Kondensator in Parallelschaltung lassen sich außerdem die aus den Schaltstörungen resultierenden elektromagnetischen Interferenzen (EMI) eindämmen.

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