Pourquoi la fiche technique LM1117 spécifie-t-elle spécifiquement les condensateurs au tantale?

Je prévois d'utiliser un LM1117 pour réguler 5 V à 3,3 V. En regardant ( tout de la plusieurs ) feuilles de données pour le LM1117, ils recommandent 10 condensateurs au tantale pF entre l' entrée et la masse et entre la sortie et la masse.

Je comprends la nécessité des condensateurs, mais je ne comprends pas pourquoi ceux-ci devraient être spécifiquement au tantale. J'ai un tas de condensateurs électrolytiques de 10 µF assis ici, alors que si, pour une raison quelconque, il doit être en tantale, je devrai les commander.

Pourquoi sont-ils si spécifiques à propos de l'utilisation de condensateurs au tantale?

Les condensateurs au tantale sont complètement inutiles dans cette application.

• La seule raison de choisir le tantale pourrait être la durée de vie, et cela peut être conçu avec des bouchons électrolytiques humides en aluminium. Il est supposé à partir de maintenant que la durée de vie a été correctement conçue et n'est pas un problème.

• L'utilisation d'un condensateur au tantale comme condensateur d'entrée invite à la mort du condensateur à tout moment si le rail d'alimentation d'entrée peut avoir des pointes de tension à partir de n'importe quelle source. Un pic supérieur à une petite fraction au-dessus de la valeur nominale d'un condensateur au tantale risque sa destruction totale dans un circuit à haute énergie, comme celui-ci.

• Le condensateur d'entrée est un condensateur de réservoir typique, sa valeur est relativement non critique. Le tantale ne sert aucun objectif technique ici. Si une impédance ultra faible est souhaitée, l'utilisation d'une céramique parallèle plus petite est indiquée.

• Le condensateur de sortie n'est PAS un condensateur de filtre dans un sens traditionnel. Son rôle principal est d'assurer la stabilité de la boucle du régulateur. (Une résistance de 10 ohms, par exemple, pourrait être placée en série avec le condensateur sans entraver sa fonctionnalité. Aucun capuchon de filtre normal ne le tolérerait sans fonctionnalité altérée).

• Les caractéristiques des condensateurs électrolytiques humides en aluminium de la bonne capacité et de la bonne tension sont bien adaptées au rôle du condensateur de sortie. Il n'y a aucune raison de ne pas les utiliser là-bas. Ce prix de condensateur de 7 cents / données générales / fiche technique serait un choix acceptable dans de nombreuses applications. (Les applications à durée de vie plus longue peuvent indiquer 1 partie de 2000 heures / 105C).

La fiche technique LM1117 fournit des indications claires sur les caractéristiques essentielles et souhaitables des condensateurs d'entrée et de sortie. Tout condensateur qui répond à ces spécifications convient. Le tantale est un bon choix mais n'est pas le meilleur choix. Il existe différents facteurs et le coût en est un. Le tantale offre un coût par capacité OK à des capacités d'environ 10 uF. Le condensateur de sortie est «sûr» contre les pointes dans la plupart des cas. Le condensateur d'entrée est à risque de «mauvais comportement» d'autres parties du système. Des pointes supérieures à la valeur nominale produiront une fusion (littéralement) enflammée. (Fumée, flamme, bruit, mauvaise odeur et explosion, tous facultatifs -
j'ai vu un capuchon en tantale faire tout cela à son tour :-))

Condensateur d'entrée

Le condensateur d'entrée n'est pas trop critique lorsque le régulateur est alimenté à partir d'un bus système déjà bien découplé. Sous le schéma de la première page, ils notent "Requis si le régulateur est situé loin du filtre d'alimentation" - auquel vous pouvez ajouter "ou une autre partie bien découplée de l'alimentation". c'est-à-dire que les condensateurs utilisés pour le découplage en général peuvent rendre un autre ici redondant. Le condensateur de sortie est plus crucial.

Condensateur de sortie

De nombreux détendeurs modernes à rendement élevé et à faible chute sont instables comme ils sont fournis. Pour assurer la stabilité de la boucle, ils nécessitent un condensateur de sortie qui a à la fois une capacité et un ESR dans des plages sélectionnées. Le respect de ces conditions est essentiel pour la stabilité dans toutes les conditions de charge.

Capacité de sortie requise pour la stabilité: La stabilité nécessite que le condensateur de charge de sortie de sortie soit> = 10 uF lorsque la broche Cadj n'a pas de condensateur ajouté à la terre et> = 20 uF lorsque Cadj a un condensateur de dérivation ajouté. Des capacités plus élevées sont également stables. Cette exigence pourrait être satisfaite par un capuchon électrolytique humide en aluminium ou un capuchon en céramique. Comme les électrolytes humides sont généralement de grande tolérance (jusqu'à +100% / - 50% si cela n'est pas spécifié autrement), un électrolyte humide en aluminium de 47 uF fournirait une capacité adéquate ici même lorsque Cadj était contourné. MAIS il peut ou non répondre aux spécifications ESR.

Condensateur de sortie ESR requis pour la stabilité:

L'ESR est une "exigence Goldilocks" :-) - pas trop et pas trop peu.
L'ESR requis est indiqué comme

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Il s'agit d'une exigence extrêmement large et inhabituelle. Même des courants d'ondulation assez modestes dans ce condensateur induiraient des variations de tension bien plus importantes que celles acceptables. Il est clair qu'ils ne s'attendent pas à des courants d'ondulation élevés et que le rôle du condensateur est principalement lié à la stabilité de la boucle plutôt qu'au contrôle du bruit en soi. Notez que les régulateurs "old school" comme par exemple LM340 / LM7805 ne spécifiaient souvent aucun condensateur de sortie ou peut-être 0,1 uF. Par exemple, la fiche technique LM340 indique ici "** Bien qu'aucun condensateur de sortie ne soit nécessaire pour la stabilité, il aide à la réponse transitoire. (Si nécessaire, utilisez 0,1 µF, disque en céramique)".

Un condensateur au tantale n'est pas requis pour répondre à cette spécification.
Un condensateur en aluminium humide répondra facilement à cette spécification. Voici quelques nouveaux ESR maximums typiques pour les nouveaux condensateurs électrolytiques humides en aluminium. Le premier groupe comprend les condensateurs qui pourraient être utilisés dans la pratique dans cette application à l'extrémité inférieure de la plage de capacité. Le 10 uF, 10V est environ la moitié de l'ESr autorisé - peut-être un peu proche pour le confort tout au long de la vie. Le deuxième groupe est celui qui serait utilisé avec le contournement de Cadj et pourrait être utilisé de toute façon - les ESR sont loin des limites dans les deux sens. Le troisième groupe sont des condensateurs choisis pour s'approcher de la limite inférieure (et ils obtiendront une résistance plus élevée = mieux avec l'âge). Le 100 uF 63V repousse la limite inférieure - mais il ne serait pas nécessaire d'utiliser une partie 63V ici, et elle augmentera (= mieux) avec l'âge. .

• 10uF, 10V - 10 ohm
  10 uF, 25V - 5,3 ohm

• 47uF, 10V - 2,2 ohm
  47 uF, 16V - 1,6 ohm 47 uF, 25 V, 1,2 ohm

• 470 uF, 10V - 024ohm
  220uF, 25V - 0,23 ohm
  100 uF, 63V - 0,3 ohm

Ils disent dans la fiche technique LM1117

• 1.3 Condensateur de sortie

  Le condensateur de sortie est essentiel au maintien de la stabilité du régulateur et doit répondre aux conditions requises pour la quantité minimale de capacité et l'ESR (résistance de série équivalente).

  La capacité de sortie minimale requise par le LM1117 est de 10 µF, si un condensateur au tantale est utilisé. Toute augmentation de la capacité de sortie améliorera simplement la stabilité de la boucle et la réponse transitoire.

  L'ESR du condensateur de sortie doit être compris entre 0,3Ω et 22Ω. Dans le cas du régulateur réglable, lorsque le CADJ est utilisé, une capacité de sortie plus grande (22µf de tantale) est requise

L'ESR est cruciale

AJOUTÉ - notes

SBCasked:

Je l'ai lu tant de fois - "maintenir la stabilité du régulateur".
Quel serait un exemple de régulateur instable?
La sortie oscillerait-elle avec une ondulation élevée ou serait-elle indéfinie ou que se passerait-il exactement?

D'après mon expérience, l'instabilité du régulateur (et comme vous vous en doutez) fait osciller le régulateur, avec un signal de niveau élevé et souvent à haute fréquence à la sortie et une tension continue mesurée avec un compteur non RMS qui semble être stable à une valeur incorrecte.

Ce qui suit est un commentaire sur ce que vous pouvez voir dans des circonstances typiques - les résultats réels varient considérablement, mais ceci est un guide.
Regardez la sortie avec un oscilloscope et vous pouvez voir par exemple une onde semi-sinusoïdale de 100 kHz de 100's de mV à quelques Volts d'amplitude sur une sortie nominale de 5VDC.

En fonction des paramètres de rétroaction, vous pouvez obtenir une oscillation à basse fréquence, suffisamment lente pour voir des variations sur un multimètre "DC" et vous pouvez obtenir davantage des signaux MHz.
Je m'attends à ce que:
(a) des changements très lents soient plus susceptibles d'être de forte amplitude (car cela suggère que le système poursuit sa queue de telle manière qu'il est presque en régulation et que la rétroaction corrective ne l'amène pas rapidement dans et
(b) l'oscillation du niveau MHz est plus susceptible d'être inférieure à l'amplitude habituelle car elle suggère que la vitesse de balayage du chemin de gain est un facteur majeur de la vitesse de réponse. MAIS tout peut arriver.

De plus, comment exactement l'ESR entre-t-il en jeu ici?
Un passant naïf comme moi s'attendrait à une meilleure résistance en série.

L'intuitif et le logique ne correspondent pas toujours.
Un régulateur est essentiellement un amplificateur de puissance contrôlé par rétroaction.
Si le retour est globalement négatif, le système est stable et la sortie est CC.
Si le retour de boucle net est positif, vous obtenez une oscillation.
Le retour global est décrit par une fonction de transfert impliquant les composants impliqués. Vous pouvez regarder la stabilité du point de vue, par exemple, des critères de stabilité de Nyquist ou (liés) pas de pôles sur le demi-plan droit et tous les pôles à l'intérieur du cercle unitaire ou ... agh !. Il suffit de dire que le retour de la sortie à l'entrée ne renforce pas l'oscillation et qu'une résistance trop grande ou trop petite peut conduire à un renforcement global lorsqu'elle est considérée comme faisant partie du système global.
Simple, utile .
Seulement un peu plus complexe - bon
Sueful - échange de pile

Utile

Beaucoup d'images liées

Et une dernière note, avez-vous fait référence à la tension d'ondulation sur le capuchon étant grande (même pour les petits courants) comme un problème inhérent en raison de la petite taille? (ie Vc = intégrale du courant sur la capacité?)

Ils disent "... 0,3 ohm <= ESR <= 22 ohm ..."
Si vous avez un ESR de 10 Ohms, alors chaque mA de courant d'ondulation provoquera 10 mV de variation de tension à travers le condensateur. 10 mA de courant d'ondulation = 100 mV de variation de tension et vous seriez très mécontent de votre régulateur. Le régulateur actif peut travailler pour réduire cette ondulation, mais il est bon de ne pas ajouter de condensateur de filtre au problème que vous souhaitez qu'il corrige.

J'ai trouvé une référence intéressante dans la fiche technique LM3940 de TI (LDO de 5 V à 3,3 V).

Les tantales ont été spécifiés car l'électrolyse peut voir son ESR augmenter jusqu'à 30 fois à très basse température.
Il est possible de connecter un petit tantale en parallèle à un grand électrolytique si le coût est un problème.

LIMITES ESR: L'ESR du condensateur de sortie provoquera une instabilité de boucle si elle est trop élevée ou trop basse. La plage acceptable d'ESR tracée en fonction du courant de charge est illustrée à la figure 19. Il est essentiel que le condensateur de sortie réponde à ces exigences, sinon des oscillations peuvent en résulter.
Figure 19. Limites ESR
Il est important de noter que pour la plupart des condensateurs, l'ESR n'est spécifié qu'à température ambiante. Cependant, le concepteur doit s'assurer que l'ESR restera dans les limites indiquées sur toute la plage de températures de fonctionnement pour la conception. Pour les condensateurs électrolytiques en aluminium, l'ESR augmentera d'environ 30 fois lorsque la température passera de 25 ° C à -40 ° C. Ce type de condensateur n'est pas bien adapté au fonctionnement à basse température. Les condensateurs au tantale solides ont un ESR plus stable sur la température, mais sont plus chers que les électrolytes en aluminium. Une approche rentable parfois utilisée consiste à mettre en parallèle un électrolytique d'aluminium avec un tantale solide, la capacité totale divisée d'environ 75/25%, l'aluminium étant la valeur la plus élevée. Si deux condensateurs sont mis en parallèle, l'ESR effectif est le parallèle des deux valeurs individuelles.

Les électolytiques ont de mauvaises performances à haute fréquence par rapport aux tantales. Avec le prix du tantale ces jours-ci, je recommanderais d'utiliser l'un de vos électrolytes avec un petit condensateur en céramique en parallèle - disons 100nF. Cela dépend de ce que vous alimentez, mais ce n'est généralement pas si critique que si l'ondulation et la réponse transitoire sont particulièrement critiques pour vous.