Comment dimensionner le condensateur de sortie pour une alimentation CC de banc?

Je conçois une alimentation CC de banc et en suis venu à la question du choix du condensateur de sortie. J'ai identifié un certain nombre de critères de conception connexes, mais je trouve que mon raisonnement tourne toujours un peu en rond alors que j'essaie de les séquencer dans un processus de conception sensé.

Voici le schéma de travail pour vous donner une idée de ce que cela va contenir. Le circuit à courant constant n'est pas illustré.

Voici les considérations / relations que je comprends jusqu'à présent:

• Au cours d' une étape de charge rapide, modère la tension de sortie changement undershoot / remise des gaz) dans l'intervalle requis pour la boucle de commande pour répondre. En général, un condensateur plus grand produit un sous / dépassement plus petit.$C_{out}$

• participe à la réponse en fréquence de la boucle de contrôle. Il apporte unpôlepar son interaction avec la résistance de charge et unzéropar son interaction avec sa propre résistance série efficace (ESR).$C_{out}$

• En général, une boucle de contrôle plus rapide (bande passante plus élevée) réduit la capacité de sortie requise pour atteindre un sous-dépassement donné.

• La portion du dépassement / dépassement produite par l'ESR de $C_{out}$ (le bit vertical juste à l'étape) ne peut pas être réduite par une boucle de contrôle plus rapide. Sa taille est purement fonction du courant (taille du pas) et de l'ESR.

• Le circuit entraîné par l'alimentation peut et souvent contribuera à une capacité supplémentaire, par exemple, la somme des condensateurs de dérivation du rail d'alimentation dans un circuit connecté. Cette capacité apparaît en parallèle avec $C_{out}$ . Il n'est pas inconcevable que ceux-ci puissent égaler ou dépasser la valeur de , ce qui fait déplacer le pôle C o u t d'une octave ou plus vers le bas. Les performances de l'alimentation doivent se dégrader gracieusement dans cette situation et ne pas tomber en oscillation, par exemple.$C_{out}$$C_{out}$

• L'énergie stockée dans la capacité de sortie se situe en dehors du contrôle des circuits de limitation de courant de l'alimentation. Bien que l'utilisation d'un grand condensateur de sortie puisse masquer certains péchés dans la conception de la boucle de commande, il expose le circuit connecté au risque de surtensions incontrôlées.

• Lorsque le point de consigne de tension est abaissé, le condensateur de sortie doit être déchargé assez rapidement pour répondre aux spécifications de vitesse de programmation descendante, même lorsqu'aucune charge n'est attachée. Un chemin de décharge proportionnel à la capacité de sortie et à la vitesse de programmation descendante spécifiée doit être présent. Dans certains cas, le circuit d'échantillonnage de la tension de sortie (diviseur résistif) peut être adéquat; dans d'autres cas, une résistance de shunt ou une autre caractéristique du circuit peut être nécessaire.

Ma question est donc la suivante: "Comment puis-je aborder la sélection du condensateur de sortie pour la conception de mon alimentation CC de banc?"

Ma meilleure supposition est la suivante:

• $C_{out}$
• Travaillez en arrière à partir de la spécification de sous-dépassement (disons 50 mV max, 25 mV préféré) à la tension de sortie maximale (30 V) pour une étape de pleine charge (0-300 mA), et compte tenu de l'ESR des condensateurs disponibles, voyez quel type de bande passante je voudrais pour garder le sous-dépassement dans les spécifications.
• $C_{out}$

Suis-je sur la bonne voie? Tout conseil de praticiens plus expérimentés sera très apprécié :)

Vous semblez avoir tout le circuit dans LTspice de toute façon. Une analyse de démarrage vous dira la plupart des choses que vous voulez savoir. Remplacez votre "grande" source CC (45 V) par une source qui a une définition d'impulsion, c'est-à-dire qui commence à 0 V et passe à 45 V en peu de temps (disons 10 ... 100 ns), après une courte période (disons 1 µs). De cette façon, tous les condensateurs seront initialisés pour un circuit non alimenté, et vous voyez votre régulateur faire de son mieux pour charger le condensateur de sortie. En utilisant cette configuration, vous obtenez l'image complète: Premièrement, le condensateur de sortie non chargé produit un court-circuit à travers votre sortie, de sorte que vous voyez votre régulateur commencer à son maximum. courant. Une fois que la tension au niveau de votre condensateur de sortie atteint la valeur souhaitée, vous pourrez également observer tout dépassement possible.

Une approche alternative serait d'inclure une source de courant (en fait, un puits) à la sortie, en progressant entre 0 A et votre max. courant de sortie souhaité.

En règle générale, je commencerais avec 1000 µF pour 1 A de max. courant de sortie conçu et essayez des valeurs (".step param") inférieures et supérieures (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4,7 mF, 10 mF). De plus, les choses ne deviendront pas trop critiques: votre transistor de passage est un NPN, et cette conception est fondamentalement stable de toute façon (contrairement à un LDO, qui utilise un transistor de passage PNP).Une analyse de stabilité de votre circuit pourrait être vraiment une bonne idée; même si votre schéma ressemble beaucoup à un régulateur linéaire avec un transistor de passage de collecteur commun à première vue, vous avez vraiment un circuit d'émetteur commun, et ceux-ci ont tendance à être instables. La raison en est que l'impédance de sortie d'un amplificateur à collecteur commun est à peu près l'impédance de commande de base du transistor, divisée par la valeur bêta du transistor et cette valeur ne change pas de manière significative lorsque la charge varie, et elle est faible . D'un autre côté, l'impédance de sortie d'un amplificateur à émetteur commun est définie par la charge elle-même, qui reste dans une certaine plage au mieux, mais ne peut pas être conçue dans le régulateur de tension lui-même, bien sûr. (*)

Voici une source avec une très bonne explication sur la stabilité d'un régulateur linéaire, mais nous devons permuter "PNP" et "NPN" dans notre exemple, car nous ne traitons pas (!) Ici du même circuit. Pour la manière "usuelle" du transistor de passage est câblé dans des régulateurs linéaires, la citation est: "Le transistor PNP dans un régulateur LDO [...] est connecté dans une configuration appelée émetteur commun, qui a une impédance de sortie plus élevée que le commun configuration du collecteur dans le régulateur NPN. " (National Semiconductor - maintenant TI - note app AN-1148, section 9)

(*) J'ai dû modifier ma première version de la réponse parce que j'avais oublié certains problèmes importants. Comme on peut le voir dans certains commentaires sur d'autres articles, le problème est lié à la réparation de matériel de laboratoire vintage, et vous ne pouvez jamais en apprendre suffisamment sur la réparation de trucs. Voici un extrait de l'article de Jim Williams "L'importance de la fixation", publié dans le livre ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN:

Oh comme j'aime la partie de vous duper ...

Fondamentalement, vous devez considérer les meilleurs et les pires cas pour la charge, en termes de résistance équivalente et de capacité équivalente (qui va en parallèle avec votre plafond de sortie). Vous ne pouvez pas concevoir pour n'importe quelle charge.

Pour les valeurs extrêmes de la résistance de charge, il est assez facile de décider d'une valeur minimale car elle est déterminée par le courant maximal que votre élément de passage peut capter. Mais vous devez également considérer une charge à haute impédance car elle tire le pôle de sortie vers des fréquences plus basses, ce qui peut compromettre la stabilité.

Si vous allez brancher en charge une carte qui a des condensateurs de contournement / réservoir importants à son entrée, vous ne pouvez pas ignorer leur effet sur votre régulateur. Les cartes avec 470-1000uF à leur entrée DC peuvent être rencontrées sans trop de difficulté.

De plus, dans la pratique, votre régulateur ne réagira pas de la même façon aux transitoires négatifs et positifs. Vous devez évaluer la réponse échelonnée sur les décharges de charge positives et négatives. Vous devez vous inquiéter si le modèle SPICE pour l'ampli-op que vous utilisez sera assez bon pour prédire / simuler cette différence.

Pour une lecture plus approfondie, je recommande le livre de Rincon-Mora sur les LDO. Pour autant que je sache, c'est le seul livre récent [c'est-à-dire imprimé] sur les régulateurs linéaires et il a une certaine expérience dans l'industrie (a travaillé chez TI). Le premier chapitre du livre a la théorie / les formules et quelques exemples pour calculer / estimer la réponse transitoire et il y a un chapitre sur la conception du système qui va dans la stabilité. Hélas, comme le livre se concentrait sur les régulateurs au niveau de la carte, les exemples de conception élaborés dans le livre (mais pas la théorie) supposent généralement que la capacité de charge est [au moins] un ordre de grandeur inférieur au plafond de sortie du régulateur . Son mantra d'approche de conception est fondamentalement "le cycle de conception d'un régulateur linéaire commence généralement à la sortie et se termine à l'entrée".