Elegir el tipo correcto de condensador de salida para un regulador de conmutación

Los artículos anteriores de esta serie examinaron el comportamiento eléctrico de los reguladores de conmutación reductores, brindaron orientación sobre el dimensionamiento inicial del inductor y discutieron el ajuste fino de la corriente del inductor y la inductancia. Ahora, con la ayuda de las simulaciones de LTspice y el siguiente esquema (Figura 1), exploraremos la relación entre las características del capacitor y el rendimiento de los convertidores reductores de modo conmutado.

El inductor en un regulador de modo conmutado permite una acción de conmutación de encendido/apagado para producir una forma de onda de corriente de aceleración o disminución. Sin embargo, necesitamos capacitancia de salida para almacenar y liberar carga de tal manera que la corriente que fluye hacia la carga y el voltaje a través de la carga permanezcan estables a pesar de las variaciones (potencialmente bastante grandes) en la corriente del inductor. El siguiente gráfico (Figura 2) muestra lo que sucede cuando prácticamente elimino el capacitor de salida usando un valor muy pequeño para C1.

Vemos, entonces, que el capacitor de salida en un regulador de modo conmutado cumple una función de filtrado crítica. Por lo tanto, este componente debe seleccionarse con cuidado, prestando atención tanto al tipo de condensador como a su valor de capacitancia. En este artículo, nos centraremos en el tipo de condensador; a continuación, analizaremos el valor.

Las tres tecnologías de condensadores más comúnmente utilizadas en dispositivos electrónicos de bajo voltaje son la cerámica (también conocida como MLCC, que significa condensador cerámico multicapa), la electrolítica de aluminio y el tantalio. He resumido los pros y los contras de cada uno a continuación, con énfasis en las cualidades relevantes para las fuentes de alimentación conmutadas; tenga en cuenta que estas son generalizaciones y que las generalizaciones por naturaleza sacrifican cierto grado de precisión en aras de la brevedad y la simplicidad.

La tendencia en el diseño de reguladores de conmutación es hacia frecuencias de conmutación más altas, lo que permite una capacitancia de salida más baja. Esto hace que la cerámica sea una opción más viable para los condensadores de salida; Aquellos que quieran más información sobre este tema pueden encontrar de interés mi guía sobre tipos de condensadores cerámicos.

En general, considero que los condensadores cerámicos son los más útiles. Sólo considero el aluminio electrolítico o el tantalio si hay una razón de peso para evitar la cerámica.

La característica que más influye en la elección del tipo de condensador de salida depende, al menos en parte, de sus prioridades. Sin embargo, si se centra en el rendimiento eléctrico, la resistencia en serie equivalente (ESR) es probablemente el factor más importante a considerar.

En los circuitos convertidores de modo conmutado, una ESR más baja suele ser mejor. Una ESR más alta conduce a una mayor ondulación del voltaje de salida y una menor eficiencia; También puede afectar negativamente la estabilidad del circuito de control que utiliza el regulador para mantener un voltaje de salida específico. En teoría, sin embargo, el bucle de control de un conmutador podría diseñarse teniendo en cuenta condensadores con mayor ESR, por lo que no podemos decir que una ESR más baja siempre sea mejor para la estabilidad. Un hecho crucial a tener en cuenta es que la ESR del condensador no es constante en cuanto a frecuencia. Debe utilizar un valor de ESR que corresponda a la frecuencia de funcionamiento de su circuito.

Si está utilizando un conmutador disponible en el mercado, es de esperar que la hoja de datos incluya números de pieza de condensadores de ejemplo o un rango de ESR recomendado. También puede encontrar útiles las simulaciones para identificar parámetros exitosos del capacitor, especialmente si la guía de la hoja de datos es limitada o no está disponible, y puede agregar ESR a un capacitor ideal para que las simulaciones sean más consistentes con el comportamiento eléctrico de la vida real.

Un modelo más completo para un condensador de la vida real incluye tanto ESR como inductancia en serie equivalente (ESL). Puede leer más sobre ESR y ESL en la Parte 2 de mi serie sobre condensadores de derivación.

El siguiente gráfico (Figura 3) transmite la ondulación de salida para el circuito conmutador que se muestra en la Figura 1 con un capacitor de salida idealizado (ESR = 0 Ω, ESL = 0 H).

Ahora modifiquemos el capacitor de salida para que su comportamiento sea más consistente con el de un capacitor cerámico 0805. Estableceremos una resistencia en serie equivalente a 10 mΩ, que es un valor razonable para un condensador cerámico a la frecuencia operativa de 1,5 MHz de nuestro conmutador. El nuevo trazado VOUT se muestra a continuación en la Figura 4, con configuraciones idénticas para los ejes vertical y horizontal para facilitar una comparación visual directa.

No hay ninguna diferencia significativa aquí, lo cual es una buena noticia. Estos resultados sugieren que un capacitor cerámico de buena calidad no degradará seriamente nuestro voltaje de salida.

Ahora aumentemos la ESR a 400 mΩ, que es el tipo de resistencia que podríamos tener con un condensador electrolítico o de tantalio funcionando a 1,5 MHz. La Figura 5 ilustra los resultados:

Hay un aumento notable en la fluctuación de la producción, pero nada catastrófico.

Si busca una degradación catastrófica, puede lograrla utilizando un condensador electrolítico en aplicaciones que deben funcionar a temperaturas muy bajas. La Figura 6 ofrece un ejemplo de cuánto aumenta la ESR de una tapa electrolítica a medida que la temperatura desciende por debajo de la temperatura ambiente.

Por lo tanto, un condensador de salida electrolítica que proporcione un rendimiento de estabilidad o ondulación aceptable a 20 °C podría ser completamente inaceptable a –30 °C. Si tiene una aplicación en la que este comportamiento a baja temperatura es problemático, pero no lo suficiente como para abandonar por completo el condensador electrolítico, puede mejorar la situación añadiendo un condensador cerámico en paralelo con el electrolítico.

Hemos analizado las características de los tipos de condensadores comunes y cómo afectan el rendimiento de los reguladores de conmutación. En el próximo artículo, nos centraremos en los cálculos de capacitancia de salida y en cómo elegir el valor de capacitancia adecuado para sus necesidades.

Todas las imágenes utilizadas son cortesía de Robert Keim.