Почему стабилизаторы не дружат с керамическими конденсаторами
Сейчас наткнулся на интересный аппноут от TI, в котором рассказывают, почему стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO) не дружат с керамическими конденсаторами. Краткий пересказ с кучей отсебятины — под катом.
Дабы всем стало понятно, о чем идет речь, кратко напомню, как возникает «возбуд» в системах с обратной связью. Представим, что сигнал от выхода ОУ до его отрицательного входа задерживается больше чем на пол периода на некоторой частоте (на любой из частот, где усиление системы больше 1), тогда, когда усилитель выдает на выход 1, на вход приходит -1, и наоборот, когда выдает на выход -1, на вход получает 1. Вот и получается такой себе генератор.
Cхема типичного LDO выглядит вот так:
Смысл в том, что в ней есть два полюса (полюс — это то, что «замедляет» сигнал): полюс, который образует выходной конденсатор (Cout) с нагрузкой и полюс, который образует интегратор (Ccomp) на внутреннем ОУ. Два полюса достаточно для того, чтобы схема стала генератором.
Да, Ccomp нужен для того, чтобы ограничить полосу пропускания ОУ. Если она будет слишком широкой, то придется бороться с дополнительными полюсами, которые живут выше по частоте, к примеру, с полюсом, связанным с затвором выходного транзистора
Для того, чтобы схема работала стабильно, эти полюса нужно компенсировать, для этого сигнал нужно «ускорить» (или, ввести нуль). Для этого, обычно, используют ускоряющий конденсатор, на схеме это Cff. Проблема с ним в том, что чем ближе напряжение стабилизации стабилизатора к опорному, тем меньше резистор, который работает в паре с ускоряющим конденсатором, и, тем больше нужен сам конденсатор. В конце-концов такой конденсатор оказывается сложно сделать на кристалле, а внешние конденсаторы ставить — моветон, поэтому, нужен другой «ускоритель» сигнала.
Такой «ускоритель» есть, и это — ESR (паразитное сопротивление) выходного конденсатора. ESR не дает выходному конденсатору заряжаться и «съедать» сигнал, тем самым, ускоряя его (внося нуль).
Так вот, у танталовых конденсаторов ESR порядка 500мОм, и это идеально подходит для стабилизации стабилизатора. ESR керамических конденсаторов — около 5мОм, и, из-за этого, нуль получается сильно высокочастотный и никак не влияет на стабильность стабилизатора. За что боролись, на то и напоролись.
Как решить эту проблему? Да очень просто, не надеяться на нуль выходного конденсатора, а внести свой:
Раньше этого не делали просто потому, что керамических конденсаторов большой емкости просто не было. Но сейчас они стали массово применяться и возник целый класс стабилизаторов, который так и называют «Ceramic Stable LDO».
Для примера несколько стабилизаторов, которые работают с керамикой:
Кстати, тут нарушается правило «чем больше, тем лучше», так любимое всеми нами. Для стабильности нужно ставить конденсатор минимальной возможной емкости. Минимальная емкость обычно указывается в даташитах, но из-за плохой температурной стабильности керамических конденсаторов, ее стоит увеличить в двое и ставить ближайший номинал.
Дабы всем стало понятно, о чем идет речь, кратко напомню, как возникает «возбуд» в системах с обратной связью. Представим, что сигнал от выхода ОУ до его отрицательного входа задерживается больше чем на пол периода на некоторой частоте (на любой из частот, где усиление системы больше 1), тогда, когда усилитель выдает на выход 1, на вход приходит -1, и наоборот, когда выдает на выход -1, на вход получает 1. Вот и получается такой себе генератор.
Cхема типичного LDO выглядит вот так:
Смысл в том, что в ней есть два полюса (полюс — это то, что «замедляет» сигнал): полюс, который образует выходной конденсатор (Cout) с нагрузкой и полюс, который образует интегратор (Ccomp) на внутреннем ОУ. Два полюса достаточно для того, чтобы схема стала генератором.
Да, Ccomp нужен для того, чтобы ограничить полосу пропускания ОУ. Если она будет слишком широкой, то придется бороться с дополнительными полюсами, которые живут выше по частоте, к примеру, с полюсом, связанным с затвором выходного транзистора
Для того, чтобы схема работала стабильно, эти полюса нужно компенсировать, для этого сигнал нужно «ускорить» (или, ввести нуль). Для этого, обычно, используют ускоряющий конденсатор, на схеме это Cff. Проблема с ним в том, что чем ближе напряжение стабилизации стабилизатора к опорному, тем меньше резистор, который работает в паре с ускоряющим конденсатором, и, тем больше нужен сам конденсатор. В конце-концов такой конденсатор оказывается сложно сделать на кристалле, а внешние конденсаторы ставить — моветон, поэтому, нужен другой «ускоритель» сигнала.
Такой «ускоритель» есть, и это — ESR (паразитное сопротивление) выходного конденсатора. ESR не дает выходному конденсатору заряжаться и «съедать» сигнал, тем самым, ускоряя его (внося нуль).
Так вот, у танталовых конденсаторов ESR порядка 500мОм, и это идеально подходит для стабилизации стабилизатора. ESR керамических конденсаторов — около 5мОм, и, из-за этого, нуль получается сильно высокочастотный и никак не влияет на стабильность стабилизатора. За что боролись, на то и напоролись.
Как решить эту проблему? Да очень просто, не надеяться на нуль выходного конденсатора, а внести свой:
Раньше этого не делали просто потому, что керамических конденсаторов большой емкости просто не было. Но сейчас они стали массово применяться и возник целый класс стабилизаторов, который так и называют «Ceramic Stable LDO».
Для примера несколько стабилизаторов, которые работают с керамикой:
- TLV1117LV — специальная версия классического 1117. Обычный 1117 не работает с керамикой, сам с этим сталкивался.
- MCP1702
- LP2985
Кстати, тут нарушается правило «чем больше, тем лучше», так любимое всеми нами. Для стабильности нужно ставить конденсатор минимальной возможной емкости. Минимальная емкость обычно указывается в даташитах, но из-за плохой температурной стабильности керамических конденсаторов, ее стоит увеличить в двое и ставить ближайший номинал.
23 комментария
Желательно так, что бы почти с нуля можно было разобраться.
Я еще как прочитал статью об обратной связи спросить хотел…
Кроме учебников, на ютубе есть довольно хорошие видушники. К примеру, вот про преобразование Лапласа, а вот про полюса и нули: часть 1, часть 2. Кстати, советую посмотреть остальные видео этого автора — очень много полезной математики.
Раз уж начал букмарки делать, вот еще куча хороших видушников по теме (наверное, для начинающих эти даже лучше остальных). Эти видео сосредоточены именно теории управления, но полюса и нули применяются не только там.
Про компенсацию есть более-менее доступно в книге Брауна Источники питания. Расчет и конструирование
Вообще, по моему опыту — это только сначала сильно тяжело (хотя для меня лично любые человеческие языки — очень большая проблема). Через некоторое (не сильно большое) вермя, как только термины врежутся в память, язык уже не является особой помехой. Конечно, при определенных знаниях самого языка.
Странно что у нас в универе (вернее на нашей кафедре — КПИ, ФИВТ, ВТ) такой предмет отсутствовал как класс.
Вроде бы ж вообще профильным должен быть.
На параллельных кафедрах вроде бы было.
LDO regulator». Почти все производители LDO предлагают статьи по данной теме.
В смысле в реальных разработках что-то рассчитывать таким способом.
Коллеги вместо «полюс и нуль» использую термины «ускоряющая цепочка», «замедляющая цепочка», что полностью аналогично для аналоговых систем (поэтому я так и написал в статье).
При проектировании цифровых фильтров иногда нужно реально смотреть где полюса и где нули, дабы система была стабильной.
Устойчивую замкнутую систему управления без оценки критериев устойчивости, матричным ли методом, или графо-аналитическим — не важно, реализовать невозможно.