Bild-1-Lastsprung

Bild 1: Idealisierte Darstellung eines Lastsprungs. (Bild: Texas Instruments)

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-Lastsprung

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-Kapazität-X7R-Kondensator

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-Keramikkondensator-Elektrolytkondensator

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.

Dominanz bei hohen und niedrigen Frequenzen

Bild-4-Beschaltung-Buck-Controller-LM25117

Bild 4: Schaltplan mit gemischten Ausgangskondensatoren. Texas Instruments

Ein Keramik-Kondensator mit 47 nF wurde gewählt, weil er bei Frequenzen ab 20 MHz eine geringere Impedanz aufweist. Die zusätzliche Kapazität von 47 nF ist außerdem so gering, dass sie sich nicht auf die Stabilität auswirkt. Die schwarze Kurve zeigt die Impedanz der Parallelschaltung aus dem 22-µF- und dem 47-nF-Kondensator. Zu sehen ist, dass der 22-µF-Keramik-Kondensator den Verlauf der Impedanzkurve im größten Teil des Frequenzbands dominiert. Allerdings dominiert der Elektrolyt-Kondensator bei niedrigen Frequenzen, während der 47-nF-Keramik-Kondensator bei hohen Frequenzen überwiegt.

Ein Design mit verschiedenen Ausgangskondensatoren ergibt die geringste Ausgangsimpedanz über den größten Frequenzbereich. Allerdings lässt sich die Regelkreiskompensation für einen Abwärtswandler in diesem Fall nur schwer berechnen.

Bild-5-Bode-Diagramm-Kondensatoren

Bild 5: Ein erstes Bode-Diagramm mit kombinierten Ausgangskondensatoren zeigt die Lage der Pol- und Nullstellen im Amplitudengang des Leistungsteils an. Texas Instruments

Wichtig ist, die Lage der Pol- und Nullstellen zu beachten, die sich aus den niedrigeren ESR- und Kapazitätswerten des Keramik-Kondensators und den höheren ESR- und Kapazitätswerten des Elektrolyt-Kondensators ergeben. Die Induktivität und die einzelnen Kondensatoren sorgen für unterschiedliche Pol- und Nullstellen. Die Software Webench von TI berücksichtigt jeden Pfad separat, was das Design im Vergleich zu manuellen Berechnungen vereinfacht und widerstandsfähiger macht.

Designbeispiel mit verschiedenen Kondensatoren

Als Beispiel für eine Schaltung mit verschiedenen Kondensatortypen soll ein Abwärtswandler mit einer Eingangsspannung von 24 V (±20 Prozent) und einer Ausgangsspannung von 12 V bei 6 A dienen.

Entwickler können die Vorgaben entweder in Webench oder direkt in das Panel auf der Produktseite des gewählten Reglers eingeben. Im hier beschriebenen Fall fiel die Wahl auf den Buck Controller LM25117, und die Eingangsbedingungen wurden in die Produktseite eingegeben. Nach dem Start des Designs erscheint links eine mit „Advanced Options“ bezeichnete Schaltfläche (Bild 4).

Da das Design ein gutes Einschwingverhalten erzielen musste, wurde das Häkchen bei „User Preferred Frequency“ gesetzt und in das Feld darunter der Wert „500 kHz“ eingegeben, um für die Durchtrittsfrequenz einen weiten Bereich zuzulassen. Im Feld „Output Cap Options“ wurde die Option „Mixed“ gewählt, bevor durch Anklicken von „Update“ ein neues Design gestartet wurde, das 500 kHz und gemischte Ausgangskondensatoren erlaubt. Die genannten Eingaben sind in Bild 4 rot eingekreist.

Elektrolyt- und Keramik-Kondensatoren kombinieren

Nach dem Anklicken des Schaltplans für eine vergrößerte Ansicht lassen sich die enthaltenen Bauelemente durch einen Doppelklick verändern. Im vorliegenden Fall wurde ein Doppelklick auf die Induktivität L1 ausgeführt, um hier eine kostengünstigere Variante zu wählen. Die in Bild 4 mit roten Pfeilen markierten Ausgangskondensatoren wurden ausgetauscht, um die gewünschte Kombination aus Elektrolyt- und Keramik-Kondensatoren zu erhalten.

Für COUT wurden zwei 100-µF-Elektrolyt-Kondensatoren aus der Datenbank des Tools gewählt, während für COUTX ein Keramik-Kondensator eingesetzt wurde. Obwohl die Datenbank mehrere geeignete Keramik-Kondensatoren enthält, war der in den Bildern 2 und 3 verwendete 22-µF-Keramik-Kondensator nicht verfügbar. Deshalb wählten die Entwickler nach einem Doppelklick auf den Kondensator COUTX das Feld „Create Custom Part“ ganz unten im Fenster.

Als Ersatz für den Keramik-Kondensator mit 22 µF wählten die Entwickler einen Keramik-Kondensator mit 19 µF, um den Kapazitätsrückgang bei einer Vorspannung von 12 V zu berücksichtigen. Als ESR wurde ein Wert von 15 mΩ angesetzt, wobei ein gewisser Leiterbahnwiderstand bereits eingerechnet ist.

Nachdem die Ausgangskondensatoren ausgetauscht waren, folgte ein Klick auf den Button „Re Comp“ (in Bild 4 oben rot eingekreist), um das Bode-Diagramm darzustellen und die Kompensation abzuändern.

Bild-6-Bode-Diagramm-Phasenreserve

Bild 6: Das Bode-Diagramm des Designs mit gemischten Ausgangskondensatoren nach manuell geänderter Kompensation zeigt die größere Bandbreite und die gute Phasenreserve. Texas Instruments

Amplituden- und Phasengang darstellen

Die blauen Kurven in Bild 5 zeigen den Amplituden- und Phasengang des gesamten Regelkreises, während die orange Kurve das Verhalten des Leistungsteils darstellt. Das Tool markiert die Pol- und Nullstellen des Leistungsteils mit den gemischten Ausgangskondensatoren sowie den Verstärkungsverlauf der Leistungsstufe.

Die Stabilität des gewählten Designs ist ausreichend, aber angestrebt war ja eine höhere Durchtrittsfrequenz. Der Compensation Designer von Webench ermöglicht die automatische Kompensation mit optionaler Angabe der Bereiche für die Durchtrittsfrequenz sowie die Amplituden- und Phasenreserve.

Im vorliegenden Beispiel wählten die Entwickler allerdings die manuelle Kompensation, um die Kontrolle über die Lage der Pol- und Nullstellen der Kompensation zu haben.

Pol- und Nullstellen verschieben

Die über den mit einem roten Kreis markierten Radio Button aktivierte Option „Edit Poles/Zeroes“ ermöglicht das Verschieben der Pol- und Nullstellen, wobei die Werte der Bauelemente automatisch geändert werden. Die Nullstelle „Zero1“ wurde von 5,3 kHz auf 2,8 kHz verlagert, um die Durchtrittsfrequenz anzuheben und die Delle im Phasengang bei 1 kHz etwas zu verringern. Die Polstelle „Pole1“ konnte dagegen in der Nähe ihrer ursprünglichen Frequenz von 80 kHz bleiben.

Das Verlagern der Kompensations-Nullstelle nach 2,8 kHz erhöhte die Durchtrittsfrequenz von 21 kHz auf 56 kHz, während sich die Phasenreserve auf 65° und die Amplitudenreserve auf 15 dB verringerte (was nach wie vor ein sehr stabiles Design ergibt). Die Stabilitätsergebnisse sind im linken Teil von Bild 6 rot umrandet. Der Schaltplan wird nach Anklicken des Buttons „Apply Changes to Design“ aktualisiert.

Bild-7-Webench-Schaltbild

Bild 7: Das finale Webench-Schaltbild mit kombinierten Ausgangskondensatoren. Texas Instruments

Bild 7 zeigt das finale Schaltbild. Wenn das System nicht ohnehin schon über eine allgemeine Entkopplung verfügt, sollten Entwickler den Eingang mit einem Elektrolyt-Kondensator versehen. Bei Bedarf kann der 47-nF-Kondensator in Bild 3 zum Abschwächen der elektromagnetischen Interferenzen an den Ausgang angeschlossen werden.

Michael Score

Senior Member Technical Staff, Field Applications Engineering, Texas Instruments

(hb)

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Texas Instruments Deutschland GmbH

Haggertystraße 1
85356 Freising
Germany