Power-Tipp So verringern Sie die Anzahl der Ausgangskondensatoren

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Ausgangskondensatoren in einer Spannungsversorgung kosten Geld, brauchen Platz und sind nicht immer verfügbar bei Lieferengpässen. Deswegen sollten Sie die Anzahl minimieren. Wir zeigen Ihnen, wie das geht.

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Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit entsprechenden Ausgangskondensatoren sowie den Eingangskondensatoren eines angeschlossenen FPGAs.
Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit entsprechenden Ausgangskondensatoren sowie den Eingangskondensatoren eines angeschlossenen FPGAs.
(Bild: ADI)

Die Ausgangskondensatoren einer Spannungsversorgung, üblicherweise Keramik-Kondensatoren mit Kapazitätswerten zwischen 100 nF und 100 µF, kosten Geld, brauchen Platz und sind bei Lieferengpässen schlecht verfügbar. Somit stellt sich immer wieder die Frage, wie können Sie die Anzahl und Größe der Ausgangskondensatoren möglichst minimieren?

Wollen Sie die Anzahl und Größe der Ausgangskondensatoren minimieren, sollten Sie zwei Wirkungen von Ausgangskondensatoren bedenken: Zum einen den Einfluss auf die Ausgangsspannungswelligkeit und zum anderen den Einfluss auf die Ausgangsspannung nach Lasttransienten.

Zuerst will ich jedoch den Begriff ‚Ausgangskondensator‘ definieren. Derartige Kondensatoren befinden sich am Ausgang der Spannungsversorgung. Jedoch bedingen viele elektrische Lasten (Verbraucher) wie beispielsweise FPGAs eine bestimmte Anzahl von Eingangskondensatoren.

Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit entsprechenden Ausgangskondensatoren sowie den Eingangskondensatoren eines angeschlossenen FPGAs.
Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit entsprechenden Ausgangskondensatoren sowie den Eingangskondensatoren eines angeschlossenen FPGAs.
(Bild: ADI)

Bild 1 zeigt einen typischen Aufbau einer Spannungsversorgung mit einer elektrischen Last. Wenn der physikalische Abstand zwischen der Spannungserzeugung und dem Verbraucher auf der Platine sehr klein ist, verschwimmt die klare Zuordnung zu Ausgangskondensator der Spannungsversorgung einerseits und zu Eingangskondensator der Last andererseits.

Die Trennung der Bezeichnung ergibt sich üblicherweise durch einen gewissen physikalischen Abstand, welcher sich durch eine signifikante parasitäre Induktivität (Llayout) auswirkt.

Die Anordnung von Kondensatoren am Ausgang einer Spannungsversorgung bestimmt bei einem abwärtswandelnden Schaltregler (Buck-Regler) die Spannungswelligkeit. Hierfür gilt, dass die Ausgangsspannungswelligkeit der Spulenstromwelligkeit mal der Impedanz der Ausgangskondensatoren entspricht: U = IL∆ * ZCout.

Diese Impedanz besteht aus der Größe und Anzahl der Kondensatoren sowie des ESRs (Equivalenter Serienwiderstand) sowie der ESL (Equivalente Serieninduktivität). Bei einem Kondensator am Ausgang einer Spannungsversorgung ist die oben genannte Gleichung recht einfach anzuwenden.

Komplexe Schaltungen mit LTSpice erstellen

Bei einer komplexeren Situation, wie in Bild 1 gezeigt, bei der mehrere Kondensatoren parallelgeschaltet sind und es Layout-bedingt zu Serieninduktivitäten (Llayout) kommt, ist es nicht mehr so einfach zu berechnen.

Bild 2: LTspice zum Evaluieren von unterschiedlichen Kondensatoren am Ausgang einer Spannungsversorgung im System.
Bild 2: LTspice zum Evaluieren von unterschiedlichen Kondensatoren am Ausgang einer Spannungsversorgung im System.
(Bild: ADI)

Hierzu eignet sich eine Simulationssoftware wie LTSpice. Bild 2 zeigt einen in kurzer Zeit erstellten Schaltplan für die Situation aus Bild 1. Hier können den einzelnen Kondensatoren unterschiedliche Werte, inklusive ESR und ESL, zugewiesen werden. Auch können angenommene Einflüsse des Platinenlayouts, wie Llayout, mit einbezogen werden. Es wird dann die Spannungswelligkeit am Ausgang des Schaltreglers und am Eingang der Last simuliert.

Ausgangskondensatoren beeinflussen auch den Ausgangspannungsversatz nach Lasttransienten. Dieser Einfluss kann ebenfalls mit LTSpice simuliert werden. Besonders sei hierbei darauf hingewiesen, dass innerhalb gewisser Grenzen, die Regelgeschwindigkeit der Regelschleife der Spannungsversorgung und die Impedanz der Ausgangskondensatoren miteinander in Wechselwirkung stehen.

Um nach Lasttransienten trotzdem in einem festgelegten Fenster der Ausgangsregelung zu bleiben, kann eine schnellere Regelschleife der Spannungsversorgung die notwenige Anzahl an Ausgangskondensatoren reduzieren.

Regelschleife optimieren mit LTpowerCAD

Um herauszufinden, welche Optimierung der Regelschleife möglich ist und wie viele der Ausgangskondensatoren eingespart werden können, empfiehlt sich LTpowerCAD.

Bild 3: LTpowerCAD zum Optimieren der Regelschleife eines Schaltreglers zur Reduktion der Anzahl der Ausgangskondensatoren.
Bild 3: LTpowerCAD zum Optimieren der Regelschleife eines Schaltreglers zur Reduktion der Anzahl der Ausgangskondensatoren.
(Bild: ADI)

Bild 3 zeigt einen Screenshot zur Berechnung der Regelgeschwindigkeit. Hier wird der berechnete Spannungsüberschuss nach einer Lasttransiente angezeigt. Zur Optimierung können die Ausgangskondensatoren variiert und es kann die Geschwindigkeit der Regelschleife des Schaltreglers angepasst werden.

Wenn Sie die richtigen Parameter überprüfen, ist es möglich, die Anzahl der Ausgangskondensatoren einer Spannungsversorgung zu reduzieren. Dies spart Kosten und Platz auf der Platine und ist somit ein empfehlenswerter Entwicklungsschritt.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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