Choisir le bon type de condensateur de sortie pour un régulateur à découpage

Les articles précédents de cette série ont examiné le comportement électrique des régulateurs à découpage abaisseurs, fourni des conseils sur le dimensionnement initial de l'inductance et discuté du réglage précis du courant d'inductance et de l'inductance. Maintenant, avec l'aide des simulations LTspice et du schéma ci-dessous (Figure 1), nous allons explorer la relation entre les caractéristiques des condensateurs et les performances des convertisseurs abaisseurs à découpage.

L'inductance d'un régulateur à découpage permet une action de commutation marche/arrêt pour produire une forme d'onde de courant d'augmentation/de décélération. Cependant, nous avons besoin d'une capacité de sortie pour stocker et libérer la charge de telle manière que le courant circulant dans la charge et la tension aux bornes de la charge restent stables malgré les variations (potentiellement assez importantes) du courant d'inductance. Le graphique ci-dessous (Figure 2) montre ce qui se passe lorsque j'élimine pratiquement le condensateur de sortie en utilisant une très petite valeur pour C1.

Nous voyons donc que le condensateur de sortie d’un régulateur à découpage remplit une fonction de filtrage critique. Ce composant doit donc être sélectionné avec soin, en faisant attention à la fois au type de condensateur et à sa valeur de capacité. Dans cet article, nous nous concentrerons sur le type de condensateur ; dans le prochain, nous discuterons de la valeur.

Les trois technologies de condensateurs les plus couramment utilisées dans les appareils électroniques basse tension sont la céramique (également connue sous le nom de MLCC, signifiant condensateur céramique multicouche), l'aluminium électrolytique et le tantale. J'ai résumé les avantages et les inconvénients de chacun ci-dessous, en mettant l'accent sur les qualités pertinentes pour les alimentations à découpage ; veuillez garder à l'esprit qu'il s'agit de généralisations et que les généralisations, par nature, sacrifient un certain degré d'exactitude au profit de la concision et de la simplicité.

La tendance dans la conception des régulateurs à découpage est vers des fréquences de commutation plus élevées, ce qui permet une capacité de sortie plus faible. Cela fait de la céramique un choix plus réalisable pour les condensateurs de sortie ; ceux qui souhaitent plus d'informations sur ce sujet peuvent trouver mon guide sur les types de condensateurs céramiques qui les intéressent.

Dans l’ensemble, je trouve que les condensateurs céramiques sont les plus utiles. Je n'envisage l'aluminium électrolytique ou le tantale que s'il existe une raison impérieuse d'éviter la céramique.

La caractéristique qui influence le plus votre choix de type de condensateur de sortie dépend, au moins en partie, de vos priorités. Si vous vous concentrez sur les performances électriques, la résistance série équivalente (ESR) est probablement le facteur le plus important à prendre en compte.

Dans les circuits convertisseurs à découpage, un ESR inférieur est généralement préférable. Un ESR plus élevé entraîne une ondulation de tension de sortie plus élevée et un rendement inférieur ; cela peut également affecter négativement la stabilité de la boucle de contrôle que le régulateur utilise pour maintenir une tension de sortie spécifiée. En théorie, cependant, la boucle de contrôle d'un mélangeur pourrait être conçue avec des condensateurs à ESR plus élevé, nous ne pouvons donc pas dire qu'un ESR inférieur est toujours meilleur pour la stabilité. Un fait crucial à garder à l’esprit est que l’ESR du condensateur n’est pas constant en fréquence. Vous devez utiliser une valeur ESR qui correspond à la fréquence de fonctionnement de votre circuit.

Si vous utilisez un mélangeur prêt à l'emploi, la fiche technique inclura, espérons-le, des exemples de références de condensateur ou une plage ESR recommandée. Les simulations peuvent également être utiles pour identifier les paramètres de condensateur efficaces, en particulier si les instructions de la fiche technique sont limitées ou indisponibles, et vous pouvez ajouter l'ESR à un condensateur idéal pour rendre les simulations plus cohérentes avec le comportement électrique réel.

Un modèle plus complet pour un condensateur réel inclut à la fois l'ESR et l'inductance série équivalente (ESL). Vous pouvez en savoir plus sur ESR et ESL dans la partie 2 de ma série sur les condensateurs de dérivation.

Le tracé suivant (Figure 3) représente l'ondulation de sortie du circuit de commutation illustré à la figure 1 avec un condensateur de sortie idéalisé (ESR = 0 Ω, ESL = 0 H).

Modifions maintenant le condensateur de sortie pour que son comportement soit plus cohérent avec celui d'un condensateur céramique 0805. Nous définirons une résistance série équivalente à 10 mΩ, ce qui est une valeur raisonnable pour un condensateur céramique à la fréquence de fonctionnement de 1,5 MHz de notre commutateur. La nouvelle trace VOUT est présentée ci-dessous dans la figure 4, avec des paramètres identiques pour les axes vertical et horizontal afin de faciliter une comparaison visuelle directe.