В последнее время при разработке портативных устройств для фильтрации входных напряжений DC/DC преобразователей стали использовать керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы часто выбирают из-за их небольших размеров, низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и способности пропускать токи с большими среднеквадратичными значениями. Кроме того, иногда разработчики обращают внимание на керамические конденсаторы из-за дефицита танталовых конденсаторов.
К сожалению, использование керамических конденсаторов для фильтрации входных напряжений может вызвать проблемы. Подача ступенчатого напряжения на керамический конденсатор вызывает большой скачок тока, который накапливает энергию в индуктивностях силовых выводов. Когда накопленная энергия передается из этих индуктивностей в керамический конденсатор, возникает большой всплеск напряжения. Эти всплески напряжения могут вдвое превышать амплитуду входной ступени.
Подключайте настенный адаптер на свой страх и риск
Проблема бросков входного напряжения связана с последовательностью включения питания. Если настенный адаптер сначала включен в розетку сети переменного тока, подключение его выхода к портативному устройству может вызвать броски входного напряжения, способные повредить DC/DC-преобразователи внутри устройства.
Построение тестовой схемы
Для иллюстрации проблемы типичный 24-вольтовый настенный адаптер, используемый в ноутбуках, был подключен к входу типичного DC/DC преобразователя ноутбука. В качестве DC/DC преобразователя использовался синхронный понижающий регулятор, преобразующий входное напряжение 24 В в 3.3 В.
Блок-схема тестовой установки показана на Рисунке 1. Дроссель LOUT – это сосредоточенный эквивалент индуктивности выводов и дросселя выходного фильтра электромагнитных помех, который может быть в некоторых настенных адаптерах. Выходной конденсатор настенного адаптера обычно имеет емкость порядка 1000 мкФ; для наших целей можно предположить, что он имеет низкое значение ESR – в диапазоне от 10 мОм до 30 мОм. Эквивалентная схема настенного адаптера и входной цепи DC/DC преобразователя фактически представляет собой последовательный резонансный контур, доминирующими компонентами которого являются LOUT, CIN и сосредоточенный эквивалент ESR, учитывающий ESR конденсатора CIN, сопротивление выводов и сопротивление LOUT.
 |
|
| Рисунок 1. | Логический пробник с двумя триггерами Шмитта, верхний из которых определяет «лог. 0», а нижний – «лог. 1». |
Входной конденсатор CIN должен быть устройством с низким ESR, способным выдерживать пульсации входного тока. В типичном ноутбуке емкость этого конденсатора находится в диапазоне от 10 мкФ до 100 мкФ. Точное значение емкости конденсатора зависит от ряда факторов, но главное требование – он должен выдерживать пульсации входного тока, создаваемые DC/DC преобразователем. Диапазон пульсаций входного тока обычно составляет от 1 A до 2 A.
Таким образом, входной конденсатор CIN может состоять из одного керамического конденсатора емкостью от 10 до 22 мкФ, из двух-трех танталовых конденсаторов емкостью 22 мкФ или из одного-двух алюминиевых конденсаторов с органическим электролитом (OS-CON) емкостью 22 мкФ.
Включение выключателя
Когда выключатель SW1 на Рисунке 1 замыкается, начинается хаос. Поскольку настенный адаптер уже подключен к сети, на его низкоимпедансном выходном конденсаторе присутствует напряжение 24 В. В то же время, входной конденсатор CIN находится под напряжением 0 В. То, что происходит с нулевого момента времени, довольно просто. Приложенное входное напряжение вызывает протекание тока через LOUT. Конденсатор CIN начнет заряжаться, и напряжение на нем будет расти, приближаясь к входному напряжению 24 В. Как только напряжение на CIN достигнет выходного напряжения настенного адаптера, энергия, накопленная в LOUT, поднимет напряжение на CIN еще выше 24 В. В конечном итоге напряжение на CIN достигнет своего пика, а затем снова упадет до 24 В. Напряжение на конденсаторе CIN может некоторое время колебаться вокруг значения 24 В. Фактическая форма напряжения будет зависеть от элементов схемы.
Если вы собираетесь провести моделирование этой схемы, имейте в виду, что элементы реальной схемы очень редко бывают линейными в переходных режимах. Например, может измениться емкость конденсаторов (керамические конденсаторы Y5V при номинальном входном напряжении потеряют 80% первоначальной емкости). Кроме того, ESR входных конденсаторов зависит от времени нарастания напряжения. Индуктивность дросселей подавления электромагнитных помех также может падать во время переходных процессов из-за насыщения магнитного материала.
Тестирование портативного приложения
 |
|
| Рисунок 2. | Броски входного напряжения на керамических конденсаторах. |
Броски входного напряжения при типичных значениях CIN и LOUT, используемые в ноутбуках, показаны на Рисунке 2 и в Таблице 1. На Рисунке 2 показаны формы входного напряжения в переходных режимах для значений емкости CIN 10 мкФ и 22 мкФ и значений индуктивности LOUT 1 мкГн и 10 мкГн.
| Таблица 1. | Пиковые значения сигналов на Рисунке 2 | ||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||
Верхняя осциллограмма показывает наихудший переходный процесс с конденсатором 10 мкФ и дросселем 1 мкГн. При входном постоянном напряжении 24 В напряжение на CIN достигает максимума при 57.2 В. Многократного воздействия напряжения 57.2 В DC/DC преобразователь может не выдержать.
Форма напряжения для емкости 10 мкФ и индуктивности 10 мкГн (осциллограмма R2) выглядит немного лучше. Пиковое значение все еще составляет около 50 В. Плоская часть осциллограммы R2, следующая за пиком, указывает на то, что внутренний MOSFET M1 синхронного выпрямителя DC/DC преобразователя на Рисунке 1 лавинообразно принимает на себя удар энергии. Осциллограммы R3 и R4 достигают пика при напряжении около 41 В, и приведены для емкости 22 мкФ с дросселями 1 мкГн и 10 мкГн, соответственно.
Броски входного напряжения с различными входными элементами
 |
|
| Рисунок 3. | Броски входного напряжения при различных входных компонентах. |
Формы напряжений в переходном режиме зависят от типов входных конденсаторов, как показано на Рисунке 3 и в Таблице 2. Опорный сигнал для конденсатора 22 мкФ и дросселя 1 мкГн показан на верхней осциллограмме (R1); его пик составляет 40.8 В.
| Таблица 2. | Пиковые значения сигналов на Рисунке 3 | ||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||
Осциллограмма R2 на Рисунке 3 показывает, что происходит, когда на вход добавляется ограничитель бросков напряжения (супрессор). Бросок входного напряжения ограничивается, но не устраняется. Очень сложно подобрать напряжение пробоя супрессора таким, чтобы оно было достаточно низким для защиты DC/DC преобразователя и достаточно далеким от рабочего уровня напряжения входного источника (24 В). Используемый супрессор P6KE30A был слишком близок к тому, чтобы начать проводить ток при напряжении 24 В. К сожалению, использование супрессора с более высоким номинальным напряжением не обеспечит достаточно низкого напряжения ограничения.
Осциллограммы R3 и R4 соответствуют танталовому конденсатору типа AVX TPS 22 мкФ, 35 В и конденсатору Sanyo OS-CON 22 мкФ, 30 В, соответственно. С помощью этих двух конденсаторов переходные характеристики были доведены до приемлемого уровня. Однако эти конденсаторы больше, чем керамические, и для выполнения требований к пульсациям входного тока требуется более одного конденсатора.
Оптимизация входных конденсаторов
Осциллограммы на Рисунке 3 показывают, как изменяется характер переходных процессов на входе в зависимости от типа используемых входных конденсаторов.
Оптимизация входных конденсаторов требует четкого понимания того, что происходит во время переходных процессов. Как в обычном резонансном RLC контуре, переходная характеристика схемы на Рисунке 1 может иметь докритическое, критическое и сверхкритическое затухание.
Поскольку целью является минимизация размеров схемы входного фильтра, результирующая схема обычно представляет собой резонансный контур с докритическим затуханием. Однако на самом деле требуется схема с критическим затуханием. Критически демпфированная схема будет обеспечивать плавное нарастание до входного напряжения без скачков или звона.
 |
|
| Рисунок 4. | Оптимизация формы входных напряжений схемы для снижения уровня пиков. |
Чтобы конструкция входного фильтра была небольшой, желательно использовать керамические конденсаторы из-за их высоких допустимых значений пульсаций тока и низкого ESR. Приступая к проектированию, сначала необходимо определить минимальную емкость входного конденсатора. В примере было установлено, что достаточно керамического конденсатора 22 мкФ, 35 В. Броски входного напряжения, создаваемые этим конденсатором, показаны на верхней осциллограмме Рисунка 4 и в Таблице 3. Очевидно, что при использовании компонентов, рассчитанных на напряжение 30 В, возникнут проблемы.
| Таблица 3. | Пиковые значения сигналов на Рисунке 4 с входным керамическим конденсатором 22 мкФ и добавленным снаббером |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
Чтобы получить оптимальную переходную характеристику, входная цепь должна быть демпфирована. Осциллограмма R2 показывает, что произойдет, если добавить еще один керамический конденсатор емкостью 22 мкФ с последовательно подключенным резистором 0.5 Ом. Бросок входного напряжения теперь хорошо выровнен на уровне 30 В. Критическое затухание также может быть достигнуто добавлением конденсатора того типа, который уже имеет высокое ESR (порядка 0.5 Ом). Осциллограмма R3 показывает переходный процесс, когда к входу добавляется танталовый конденсатор типа TPS 22 мкФ, 35 В от AVX.
Для сравнения осциллограмма R4 показывает бросок входного напряжения при использовании 30-вольтового супрессора.
Наконец, достигается идеальная форма напряжения, показанная на Рисунке 4 на нижней осциллограмме (Ch1). Также оказалось, что это и наименее затратное решение. В схеме используется алюминиевый электролитический конденсатор 47 мкФ, 35 В, выпускаемый Sanyo (35CV47AXA). Этот конденсатор имеет как раз такие значения емкости и ESR, чтобы обеспечить критическое демпфирование комбинации керамического конденсатора 22 мкФ и входной индуктивности 1 мкГн. Конденсатор 35CV47AXA имеет ESR 0.44 Ом и рассчитан на максимальное среднеквадратичное значение тока 230 мА. Очевидно, что этот конденсатор нельзя использовать в приложениях со среднеквадратичным током пульсаций от 1 А до 2 А без керамического конденсатора емкостью 22 мкФ. Дополнительным преимуществом является то, что этот конденсатор очень мал; его размеры составляют всего 6.3 × 6 мм.
Заключение
Броски входного напряжения в переходном режиме – это проблема проектирования, которую нельзя игнорировать. Конструктивные решения, предотвращающие броски входного напряжения, могут быть очень простыми и эффективными. При правильном применении решения емкости входных конденсаторов можно свести к минимуму, а также минимизировать стоимость и размеры без ущерба для характеристик схемы.
