ฉันจะปรับขนาดตัวเก็บประจุเอาต์พุตสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะได้อย่างไร

ฉันกำลังออกแบบตัวจ่ายไฟแบบบัลลังก์ DC และมาถึงเรื่องของการเลือกตัวเก็บประจุเอาต์พุต ฉันได้ระบุเกณฑ์การออกแบบที่เกี่ยวข้องจำนวนหนึ่ง แต่ฉันพบว่าเหตุผลของฉันยังคงอยู่ในแวดวงเล็กน้อยขณะที่ฉันพยายามจัดลำดับสิ่งเหล่านี้ให้เป็นกระบวนการออกแบบที่สมเหตุสมผล

นี่คือแผนผังการทำงานเพื่อให้คุณมีความคิดในสิ่งที่จะเข้าสู่ วงจรคงที่ไม่ได้เป็นภาพ

ต่อไปนี้เป็นข้อควรพิจารณา / ความสัมพันธ์ที่ฉันเข้าใจ:

• ในระหว่างขั้นตอนโหลดเร็วตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาท์พุท undershoot / overshoot) ในช่วงเวลาที่จำเป็นสำหรับลูปควบคุมเพื่อตอบสนอง โดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุที่มีขนาดใหญ่กว่าจะผลิตขนาดเล็กกว่า / เกินขนาด$C_{out}$

• $C_{out}$มีส่วนร่วมในการตอบสนองความถี่ของลูปควบคุม มันก่อให้เกิดเสาโดยการมีปฏิสัมพันธ์กับความต้านทานโหลดและเป็นศูนย์โดยการมีปฏิสัมพันธ์กับความต้านทานอนุกรมที่มีประสิทธิภาพของตัวเอง (ESR)

• โดยทั่วไปลูปควบคุมที่เร็วขึ้น (แบนด์วิดท์สูงกว่า) จะลดความจุเอาต์พุตที่จำเป็นเพื่อให้ได้ Undershoot ที่กำหนด

• ส่วนของ under / overshoot ที่ผลิตโดย ESR ของ (บิตแนวตั้งที่ถูกต้องในขั้นตอน) ไม่สามารถลดลงได้โดยการควบคุมลูปที่เร็วขึ้น ขนาดมันเป็นฟังก์ชั่นของกระแส (ขนาดก้าว) และ ESR อย่างแท้จริง$C_{out}$

• วงจรที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งจ่ายสามารถและมักจะมีส่วนร่วมในการเพิ่มความจุตัวอย่างเช่นผลรวมของตัวเก็บประจุบายพาสรางไฟฟ้าในวงจรที่เชื่อมต่อ ความจุนี้จะปรากฏในแบบคู่ขนานกับ{} มันไม่น่าเชื่อว่าสิ่งเหล่านี้อาจเท่ากับหรือสูงกว่าค่าของทำให้ขั้วโลกย้ายคู่หรือมากกว่าลง ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟควรลดลงอย่างงดงามในสถานการณ์นี้และไม่ตกอยู่ในความผันผวน$C_{out}$$C_{out}$$C_{out}$

• พลังงานที่เก็บไว้ในความจุเอาต์พุตอยู่นอกการควบคุมวงจร จำกัด ปัจจุบันของแหล่งจ่ายไฟ ในขณะที่ใช้ตัวเก็บประจุเอาท์พุทขนาดใหญ่อาจปกปิดบาปบางอย่างในการออกแบบลูปควบคุมมันจะเปิดเผยวงจรที่เชื่อมต่อกับความเสี่ยงของกระแสไฟที่ไม่สามารถควบคุมได้

• เมื่อจุดตั้งแรงดันไฟฟ้าดับลงตัวเก็บประจุเอาท์พุทจะต้องถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วเพียงพอที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับความเร็วในการตั้งโปรแกรมลงแม้ว่าจะไม่มีโหลดติดอยู่ก็ตาม เส้นทางการคายประจุตามสัดส่วนกับความจุเอาต์พุตและความเร็วการเขียนโปรแกรมที่ระบุจะต้องแสดง ในบางกรณีวงจรการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าขาออก (ตัวต้านทานแบบแบ่ง) อาจเพียงพอ ในกรณีอื่นตัวต้านทาน shunt หรือคุณสมบัติวงจรอื่น ๆ อาจจำเป็น

ดังนั้นคำถามของฉันคือ: "ฉันจะเลือกตัวเก็บประจุเอาท์พุทสำหรับการออกแบบตัวจ่ายไฟ DC แบบตั้งโต๊ะได้อย่างไร"

การเดาที่ดีที่สุดของฉันคือ:

• เริ่มต้นด้วยค่าเล็กน้อยพูด 100µF ในกรณีนี้$C_{out}$
• ทำงานย้อนกลับจากสเปค undershoot (พูดได้สูงสุด 50mV, แนะนำให้ใช้ 25mv) ที่แรงดันเอาต์พุตสูงสุด (30V) สำหรับขั้นตอนการโหลดแบบเต็ม (0-300mA) และพิจารณา ESR ของตัวเก็บประจุที่มีอยู่ดูแบนด์วิธที่ฉันต้องการ เก็บ undershoot ภายในสเปค
• ย้ายไปที่ค่าใหญ่กว่าเพื่อลดความถี่ครอสโอเวอร์ที่ต้องการหรือลดค่า ESR$C_{out}$

ฉันกำลังติดตามใช่ไหม? คำแนะนำใด ๆ จากผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์มากขึ้นจะได้รับการขอบคุณอย่างมาก :)

คุณดูเหมือนจะมีวงจรทั้งหมดใน LTspice อยู่แล้ว การวิเคราะห์เริ่มต้นจะบอกสิ่งที่คุณต้องการรู้ แทนที่แหล่งจ่ายกระแสตรง "ใหญ่" (45 V) ของคุณด้วยแหล่งกำเนิดที่มีคำจำกัดความของพัลส์นั่นคือแหล่งที่เริ่มต้นที่ 0 V และก้าวไปที่ 45 V ภายในระยะเวลาอันสั้น (พูด 10 ... 100 ns) หลังจากเวลาสั้น ๆ (พูด 1 µs) ด้วยวิธีนี้ตัวเก็บประจุทั้งหมดจะเริ่มต้นสำหรับวงจรที่ไม่มีกำลังไฟและคุณเห็นว่าตัวควบคุมของคุณทำอย่างดีที่สุดในการชาร์จตัวเก็บประจุเอาท์พุท เมื่อใช้การตั้งค่านี้คุณจะได้ภาพรวมทั้งหมด: อันดับแรกตัวเก็บประจุเอาท์พุทที่ไม่ชาร์จจะทำให้เกิดการลัดวงจรในเอาต์พุตของคุณดังนั้นคุณจะเห็นเครื่องปรับลมเริ่มต้นที่สูงสุด ปัจจุบัน. เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุเอาท์พุทของคุณถึงค่าที่ต้องการคุณจะสามารถสังเกตเห็นการโอเวอร์เฮตที่เป็นไปได้

แนวทางอื่นคือการรวมแหล่งที่มาปัจจุบัน (ที่จริงแล้วจม) ที่เอาต์พุตโดยจะมีค่าระหว่าง 0 A และสูงสุดของคุณ กระแสไฟขาออกที่ต้องการ

ตามกฎของหัวแม่มือฉันจะเริ่มต้นด้วย 1,000 µF ต่อ 1 A สูงสุด ออกแบบเอาต์พุตปัจจุบันและลอง (".step param") ค่าด้านล่างและด้านบน (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4.7 mF, 10 mF) นอกจากนี้สิ่งต่างๆจะไม่สำคัญเกินไป: ทรานซิสเตอร์พาสของคุณเป็น NPN และการออกแบบนี้ก็มีความเสถียรอยู่ดี (เมื่อเทียบกับ LDO ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ PNP พาส)การวิเคราะห์เสถียรภาพของวงจรของคุณอาจเป็นความคิดที่ดี แม้ว่าแผนผังของคุณจะดูเหมือนตัวควบคุมเชิงเส้นที่มีทรานซิสเตอร์สะสมพาสทั่วไปในครั้งแรกที่เห็นคุณมีวงจรอีซีแอลทั่วไปและสิ่งเหล่านั้นมีแนวโน้มที่จะไม่เสถียร เหตุผลก็คือว่าความต้านทานการส่งออกของเครื่องขยายเสียงสะสมเหมือนกันคือประมาณฐานความต้านทานการขับรถของทรานซิสเตอร์หารด้วยเบต้าทรานซิสเตอร์และค่านี้จะไม่เปลี่ยนแปลงในทางใด ๆ ที่สำคัญเมื่อโหลดแตกต่างกันไปและมันก็อยู่ในระดับต่ำ ในทางกลับกันอิมพิแดนซ์เอาต์พุตอีซีแอลแอมป์ทั่วไปจะถูกกำหนดโดยโหลดตัวเองซึ่งอยู่ภายในช่วงที่ดีที่สุด แต่ไม่สามารถออกแบบเป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้แน่นอน (*)

นี่คือแหล่งที่มาพร้อมคำอธิบายที่ดีมากเกี่ยวกับเสถียรภาพของตัวควบคุมเชิงเส้น แต่เราต้องสลับ "PNP" และ "NPN" ในตัวอย่างของเราเพราะเราไม่ได้ (!) จัดการกับวงจรเดียวกันที่นี่ สำหรับวิธี "ususal" pass pass นั้นถูกต่อสายในตัวควบคุมเชิงเส้นข้อความอ้างอิงคือ: "PNP transistor ใน LDO regulator [... ] เชื่อมต่อในการตั้งค่าที่เรียกว่า Common emitter ซึ่งมีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตสูงกว่าแบบทั่วไป การกำหนดค่าตัวสะสมในตัวควบคุม NPN " (เซมิคอนดักเตอร์แห่งชาติ - ตอนนี้ TI - app'note AN-1148 ตอนที่ 9)

(*) ต้องแก้ไขคำตอบเวอร์ชันแรกของฉันเพราะฉันมองข้ามประเด็นสำคัญบางอย่าง ดังที่สามารถเห็นได้ในความคิดเห็นบางส่วนต่อการโพสต์อื่น ๆ ปัญหาเกี่ยวข้องกับการซ่อมอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการโบราณและคุณไม่สามารถเรียนรู้ได้มากพอจากการแก้ไขสิ่งต่างๆ นี่คือข้อความที่ตัดตอนมาจากบทความของ Jim Williams "The Importance of Fixing" ซึ่งตีพิมพ์ในหนังสือ ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN:

โอ้ฉันชอบส่วนที่หลอกตัวเอง ...

โดยทั่วไปคุณต้องพิจารณากรณีที่ดีที่สุดและเลวร้ายที่สุดสำหรับโหลดในแง่ของความต้านทานที่เท่ากันและความจุที่เท่ากัน (ซึ่งขนานกับเอาต์พุตของคุณ) คุณไม่สามารถออกแบบให้โหลดได้อย่างแน่นอน

สำหรับค่าที่สูงที่สุดของตัวต้านทานโหลดมันเป็นเรื่องง่ายพอที่จะตัดสินใจเกี่ยวกับค่าขั้นต่ำเนื่องจากมันถูกกำหนดโดยกระแสสูงสุดที่องค์ประกอบพาสของคุณสามารถล้างจานได้ แต่คุณต้องพิจารณาโหลดอิมพีแดนซ์สูงเพราะมันจะดึงขั้วเอาท์พุทไปยังความถี่ที่ต่ำกว่าซึ่งอาจส่งผลต่อเสถียรภาพ

หากคุณกำลังจะเสียบเป็นโหลดบอร์ดบางอย่างที่มีตัวเก็บประจุบายพาส / ถังขนาดใหญ่ที่อินพุตของมันแล้วคุณจะไม่สามารถมองข้ามผลกระทบที่มีต่อตัวควบคุมของคุณได้ บอร์ดที่มี 470-1000uF ที่อินพุต DC สามารถพบได้โดยไม่ยาก

นอกจากนี้ในทางปฏิบัติผู้ควบคุมของคุณจะไม่ตอบสนองต่อการลบชั่วคราวและบวก คุณต้องประเมินการตอบสนองขั้นตอนทั้งการทิ้งขยะทั้งบวกและลบ คุณต้องกังวลว่ารุ่น SPICE สำหรับ opamp ที่คุณใช้นั้นจะดีพอที่จะทำนาย / จำลองความแตกต่างนี้หรือไม่

สำหรับการอ่านเพิ่มเติมฉันแนะนำหนังสือ Rincon-Mora เกี่ยวกับ LDOs เท่าที่ฉันรู้มันเป็นหนังสือเล่มล่าสุดเกี่ยวกับหน่วยงานกำกับดูแลเชิงเส้นและเขามีประสบการณ์ในอุตสาหกรรม (ทำงานที่ TI) บทแรกของหนังสือเล่มนี้มีทฤษฎี / สูตรและตัวอย่างสำหรับการคำนวณ / ประเมินการตอบสนองชั่วคราวและมีบทเกี่ยวกับการออกแบบระบบที่มีเสถียรภาพ อนิจจาเมื่อหนังสือมุ่งเน้นไปที่หน่วยงานกำกับดูแลระดับบอร์ดตัวอย่างการออกแบบที่ได้ผลในหนังสือ . มนต์วิธีการออกแบบของเขานั้นโดยทั่วไปแล้ว "วงจรการออกแบบของตัวควบคุมเชิงเส้นมักจะเริ่มต้นที่เอาต์พุตและลงท้ายด้วยอินพุต"