Перейти к содержанию

Пульсации выходного напряжения

На выходе импульсного стабилизатора постоянное напряжение не идеально ровное: на нём есть пила с частотой переключения и короткие выбросы на её вершинах. Их размер зависит прежде всего от выходного конденсатора — его ESR и индуктивности выводов.

Обновлено Редакция GAW

Пульсации выходного напряжения — переменная составляющая на выходе импульсного стабилизатора. У понижающего преобразователя это пила с частотой переключения и короткие выбросы на её вершинах. Как устроен такой преобразователь, разобрано в статье «Понижающий преобразователь».

Откуда берётся пила

Ток дросселя за период нарастает и спадает, и его переменная часть идёт через выходной конденсатор. По даташиту onsemi LM2596 основной вклад в пульсации — пила тока дросселя, умноженная на ESR конденсатора. Например, при размахе пульсаций тока 0,6 А и ESR 0,05 Ом:

ΔU≈ΔIL⋅ESR=0,6 А⋅0,05 Ом=30 мВ.\Delta U \approx \Delta I_L \cdot ESR = 0{,}6\ \text{А} \cdot 0{,}05\ \text{Ом} = 30\ \text{мВ}.
Параметр LM2596 по даташитуЗначение
Пульсации без доп. фильтра0,5–3 % выходного напряжения, обычно 1–2 %
Дополнительный LC-фильтр 20 мкГн и 100 мкФснижает пульсации и выбросы в 10 раз и больше
Наименьший ESR выходного конденсатораоколо 0,05 Ом — ниже петля может стать неустойчивой
Допустимый ток пульсаций конденсаторане меньше 1,5 размаха пульсаций тока дросселя

Как уменьшить

  • Конденсатор с низким ESR — главная мера. На морозе ESR алюминиевых электролитов растёт: втрое при −25 °C и до 10 раз при −40 °C, поэтому onsemi советует добавлять параллельно танталовые.
  • Больше индуктивность и ёмкость — меньше размах пилы тока и напряжения.
  • Дополнительный LC-фильтр после стабилизатора — пульсации и выбросы падают в 10 раз и больше.

Дроссель и конденсаторы под нужный ток и пульсации подберёт калькулятор DC-DC.

Частые вопросы

Почему пульсации на выходе LM2596 больше, чем ожидалось?

Чаще всего виноват выходной конденсатор с большим ESR: по даташиту пульсации — это в основном пила тока дросселя, умноженная на ESR. onsemi рекомендует конденсаторы с низким ESR; при морозе ESR алюминиевых электролитов растёт втрое при −25 °C и до 10 раз при −40 °C.

Можно ли поставить на выход только танталовый конденсатор с очень низким ESR?

Для LM2596 — нежелательно: при ESR ниже 0,05 Ом петля обратной связи может стать неустойчивой, и выход начнёт генерировать. onsemi предлагает ставить танталовые конденсаторы параллельно алюминиевым — около 10–20 % общей ёмкости.

Откуда короткие иглы на осциллограмме выхода?

Это выбросы на фронтах переключения ключа: их создают быстрая коммутация и паразитная индуктивность выходного конденсатора, а усиливают длинные выводы, монтаж и даже способ подключения щупа. Помогают конденсаторы с малой индуктивностью, короткие выводы и дополнительный LC-фильтр.

Источники

  1. onsemi. LM2596: 3.0 A, Step-Down Switching Regulator (LM2596/D, Rev. 1, December 2022) — без фильтра выход содержит пилообразные пульсации с частотой переключения, от 0,5 до 3 % выходного напряжения, обычно 1–2 % при низком ESR; их создаёт в основном пила тока дросселя, умноженная на ESR выходного конденсатора; на вершинах пилы — короткие выбросы из-за быстрого переключения и паразитной индуктивности конденсатора, на них влияют монтаж и щуп осциллографа; уменьшают пульсации большей индуктивностью и ёмкостью или дополнительным LC-фильтром 20 мкГн и 100 мкФ — в 10 раз и больше; ESR ниже 0,05 Ом, например у одного танталового конденсатора, может сделать петлю обратной связи неустойчивой; ESR электролитов растёт примерно в 3 раза при −25 °C и до 10 раз при −40 °C; допустимый ток пульсаций выходного конденсатора — не меньше 1,5 размаха пульсаций тока дросселя на 150 кГц
  2. OpenStax. University Physics Volume 2, section 15.2: Simple AC Circuits — сопротивление конденсатора переменному току падает с частотой, XC = 1/(ωC); у катушки XL = ωL растёт с частотой

Нашли ошибку?

Смотрите также