为什么LM1117数据手册中特别指定了钽电容器?


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我打算在使用LM1117调节在(5 V至3.3 V展望任何 几个)为LM1117的数据表,它们建议输入和地之间和输出端和接地之间10个μF的钽电容。

我了解对电容器的需求,但我不清楚为什么这些电容器应专门为钽。我在这附近有一堆10 µF电解电容,但是如果出于某种原因需要使用钽,则必须订购这些电容器。

为什么对使用钽电容器如此具体?


钽的ESR通常要比电解高吗?
Majenko

马特(Matt),在阅读了有关它的更多内容之后,似乎肯定是原因。陶瓷的ESR显然很低,而电解的ESR则随时间增加。如果确实是这个原因,那么电解质现在应该可以了-我正在尝试一些东西,而不是制造10,000个。不过,我还是想确定。
乔恩·布莱特

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钽的ESR低!
莱昂·海勒

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@MattYoung实际上是的。因为如果像您这样的人发现问题,您就可以纠正它。这就是所谓的“同行评审”,基本上是所有科学论文都要经过的。在这种情况下,对等节点分散在整个Internet上。
Majenko

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@MattYoung您认为编辑将持续多长时间?Wikipedia并不是您所认为的免费的。
Majenko 2014年

Answers:


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在该应用中完全不需要钽电容器。

  • 选择钽的唯一原因 可能是使用寿命,并且可以设计用于铝湿式电解盖。从这里开始,可以假设寿命已经过适当设计,这不是问题。

  • 如果输入电源轨上有来自任何电源的电压尖峰,则在任何时候使用钽电容器作为输入电容器都会导致电容器死亡。如果尖峰超过钽电容器额定值的一小部分,则可能会损坏这种高能量电路,例如钽电容器。

  • 输入电容器是典型的储能电容器,其值相对非关键。钽在这里没有任何技术目的。如果需要超低阻抗,则应使用较小的平行陶瓷。

  • 在任何传统意义上,输出电容器都不是滤波电容器。它的主要作用是为调节器提供环路稳定性。(例如,可以在不影响电容器功能的情况下将10欧姆电阻器与电容器串联放置。在不影响功能的情况下,任何普通的滤波器帽都不能容忍这种情况)。

  • 具有正确电容和额定电压的铝湿式电解电容器的特性非常适合输出电容器的作用。没有理由不在那里使用它们。7美分的电容器价格 / 一般数据 / 数据表在许多应用中都是可以接受的选择。(更长的寿命应用可能表示1 2000小时/ 105C的部分)。


LM1117数据表提供了关于输入和输出电容器的基本和期望的特性明确的指导。满足这些规格的任何电容器都是合适的。钽是可以的选择,但不是最佳选择。有多种因素,成本是其中之一。钽电容在大约10 uF以上的容量中可以提供确定的成本。在大多数情况下,输出电容器对于尖峰是“安全的”。输入电容器面临系统其他部分的“不良行为”的风险。高于额定值的尖峰会(从字面上)引起火焰融化。(烟雾,火焰,噪音,难闻的气味和爆炸都是可选的-
我已经看到一个钽帽依次完成所有这些操作:-)

输入电容

当稳压器从一个已经很好解耦的系统总线馈入稳压器时,输入电容器并不是太关键。在首页上的图表下,他们指出“如果调节器远离电源滤波器,则是必需的” –您可以在其中添加“或电源的另一个去耦部分”。也就是说,用于去耦的电容器通常会使此处的另一个成为多余。输出电容器更为关键。

输出电容

许多现代低压差高性能稳压器在供货时无条件地不稳定。为了提供环路稳定性,他们需要一个输出电容器,该电容器必须具有在选定范围内的电容和ESR。满足这些条件对于在所有负载条件下保持稳定性至关重要。

所需的稳定性输出电容: 稳定性要求输出的输出负载电容器是> = 10微法时Cadj销不会具有添加的电容器接地,> = 20微法时Cadj有一个附加的旁路电容。较高的电容也是稳定的。铝湿电解盖或陶瓷盖可以满足此要求。由于湿电解通常具有宽容差(如果没有其他规定,则公差最高为+100%/-50%),即使旁路了Cadj,47 uF铝湿电解也可以提供足够的电容。它可能符合或不符合ESR规范。

稳定所需的输出电容器ESR:

ESR是“ Goldilocks要求” :-)-不能太多也不能太少。
所需的ESR表示为

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

这是一个非常广泛且不寻常的要求。即使在该电容器中相当适度的纹波电流,其感应电压也会远远大于可接受的电压变化。显然,他们不希望有高纹波电流,而且电容器的作用主要与环路稳定性有关,而与噪声控制本身无关。请注意,诸如LM340 / LM7805之类的“老式”稳压器通常不指定输出电容器,或者可能指定0.1 uF。例如,此处的LM340数据表显示为 “ **尽管不需要输出电容器来保持稳定性,但确实有助于瞬态响应。(如果需要,请使用0.1 µF陶瓷盘)”。

不需要钽电容器即可满足该规格。
湿铝电容器将轻松满足此规格。这是新的铝湿式电解电容器的一些典型的新的最大ESR。第一组是在实际应用中可能会在电容范围的低端使用的电容器。10 uF,10V大约是允许的ESr的一半-可能在整个使用寿命内都有些许闭合。第二组是将绕过Cadj的情况下可以使用的方法,无论如何都可以使用-ESR远离两个方向的限制。第三组是选择接近下限的电容器(随着时间的流逝,它们将获得更高的电阻=更好)。100 uF的63V会降低下限-但是这里不需要使用63V的器件,随着年龄的增长,它会变得更高(=更好)。。

  • 10uF,10V-10欧姆
    10 uF,25V-5.3欧姆

  • 47uF,10V-2.2欧姆
    47 uF,16V-1.6欧姆47 uF,25 V,1.2欧姆

  • 470 uF,10V-024
    欧姆220uF,25V-0.23欧姆
    100 uF,63V-0.3欧姆


他们说 在LM1117数据表中

  • 1.3输出电容

    输出电容器对于维持稳压器的稳定性至关重要,并且必须满足最小电容和ESR(等效串联电阻)的要求。

    如果使用钽电容器,则LM1117所需的最小输出电容为10µF。输出电容的任何增加都只会改善环路稳定性和瞬态响应。

    输出电容器的ESR应在0.3Ω至22Ω之间。对于可调稳压器,当使用CADJ时,需要更大的输出电容(22µf钽)

ESR至关重要


添加-笔记

SBCasked:

我读过很多遍了-“保持调节器的稳定性”。
不稳定的调节器将是什么例子?
输出会以高纹波振荡还是不确定,或者究竟会发生什么?

根据我的经验,(如您所料,)稳压器的不稳定性会导致稳压器振荡,输出端会出现高电平且经常出现高频信号,并且使用非RMS仪表测得的直流电压看起来像是稳定的直流电。值不正确。

以下是对您在典型情况下可能会看到的内容的评论-实际结果差异很大,但这只是一个指南。
用示波器查看输出,您可能会在标称5VDC输出上看到一个100 kHz的半正弦波,其振幅为100的mV到某些伏特。

根据反馈参数的不同,您可能会得到低频振荡,其速度可能足够慢,以至于在“ DC”表上都可以看作是变化,并且您可能会得到更像MHz的信号。
我希望:
(a)非常缓慢的变化更容易产生高振幅(因为这表明系统正以几乎处于调节状态的方式追尾,并且纠正反馈并未使其迅速进入线,和
(b)中兆赫级振荡更容易变得比平常低振幅,因为它暗示增益路径的那个摆率,响应速度的主要因素。但任何可能发生。

另外,ESR在这里究竟起什么作用?
像我这样的天真的路人会希望较低的串联电阻会更好。

直观和逻辑并不总是匹配。
调节器本质上是一个反馈控制的功率放大器。
如果反馈总体为负,则系统稳定且输出为直流电。
如果净环路反馈为正,则会产生振荡。
总体反馈由涉及相关组件的传递函数描述。您可以从例如奈奎斯特稳定性标准或(相关)右半平面上没有极点以及单位圆内或... agh!内的所有极点的角度来看稳定性。可以说,从输出到输入的反馈不会增强振荡,当将其视为整个系统的一部分时,太大或太小的电阻都可能导致整体增强。
简单,有用
只有稍微复杂一些-好
Sueful

有用

很多相关图片

最后一点,您是否将电容上的纹波电压过大(即使电流较小)也视为由于尺寸过小而固有的问题?(即Vc =电流与电容的积分?)

他们说:“ ... 0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm ...”
如果您说的ESR为10 Ohms,那么每mA的纹波电流将在电容器两端引起10 mV的电压变化。10 mA的纹波电流= 100 mV的电压变化,您会对稳压器非常不满意。有源稳压器可以减少这种纹波,但是最好不要让滤波电容器增加您要解决的问题。


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感谢您提供非常详细和有用的答案。我仍然对为什么他们这么特别地要求钽这么多感到困惑,但是您的回答清楚地表明我可以忽略这一点。
乔恩·布莱特

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我已经读过很多次了-“保持定期的稳定性”。不稳定的调节器将是什么例子?输出会以高纹波振荡还是不确定?究竟会发生什么?此外,ESR在这里究竟起什么作用?像我这样的天真的路人会希望较低的串联电阻会更好。最后一点,您是否将电容上的纹波电压过大(即使电流较小)也视为由于尺寸过小而固有的问题?(即Vc =电流在电容上的积分?)
sherrellbc 2014年

大多数电容器的行为不像单个电容器与单个电阻器串联,而是作为互连的电阻器和电容器的庞大网络。如果一个100uF电容表现为串联并联组合,其中包含一个理想的0.1uf电容和一个0.001 ohm ESR的串联组合,以及一个理想的99.9uF电容和一个100ohm电阻的串联组合,那么数据表将是期望报告这种上限的ESR?
超级猫

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@sherrellbc-根据我的经验,(如您所料,)稳压器的不稳定会导致稳压器振荡,输出端会出现大电平且经常是高频信号,而使用非RMS仪表测得的直流电压似乎是直流稳定在一个错误的值。以下是您在典型情况下可能会看到的内容-实际结果差异很大,但这只是参考。用示波器查看输出,您可能会在标称5VDC输出上看到一个100 kHz的半正弦波,其振幅为100的mV到某些伏特。...
罗素·麦克马洪

...根据反馈参数,您可能会得到低频振荡,速度可能足够慢,以至于在“ DC”表上看到变化,并且您可能会收到更像MHz信号的信号。我期望:(a)非常缓慢的变化更容易产生高振幅(因为这表明系统正以几乎处于调节状态的方式追尾,并且纠正反馈并未将其迅速引入。 (b)MHz电平振荡比通常的幅度更容易降低,因为它表明增益路径的摆率是响应速度的主要因素,但任何情况都可能发生
Russell McMahon 2014年

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我在TI的LM3940数据表(5V至3.3V LDO)中找到了一个有趣的参考。

之所以指定钽,是因为在极低的温度下,电解的ESR可以提高30倍。
如果成本成问题,则可以将小钽并联到大电解板上。

ESR限制:如果输出电容的ESR太高或太低,它都会导致环路不稳定。ESR与负载电流之间的关系曲线的可接受范围如图19所示。至关重要的是,输出电容器必须满足这些要求,否则可能会产生振荡。
图19. ESR限制
重要的是要注意,对于大多数电容器,ESR仅在室温下指定。但是,设计人员必须确保ESR在设计的整个工作温度范围内都不会超出所示限制。对于铝电解电容器,当温度从25°C降至-40°C时,ESR将增加约30倍。这种电容器不适用于低温工作。固态钽电容器在整个温度范围内具有更稳定的ESR,但比铝电解电容器更昂贵。有时使用的一种具有成本效益的方法是将铝电解电容器与固态钽并联,总电容分配为75/25%,而铝电容器的值更大。如果两个电容器并联,则有效ESR为两个单独值的并联。


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与钽相比,电解质的高频性能较差。如今,随着钽的价格上涨,我建议您将其中一个电解池与一个小的陶瓷电容器并联使用-例如100nF。这取决于您的供电能力,但通常并不那么关键,除非纹波和瞬态响应对您特别重要。


人们有时会陷入死气沉沉的状态-铝*电解不良-钽良好-必须使用钽。我很高兴听到任何人以技术为由批评我的答复。如果我错过了某件事或做出了明显不正确的技术主张,那么一定要说。但是,我不这么认为。*-我现在看到您在英国时已经正确拼写了铝:-)。火焰屏蔽。
罗素·麦克马洪

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@Russell McMahon-嗯?(1)我在您面前回答了我,所以我没有批评。(2)好像还是同意!(3)铝电容器是很多很多比铝更糟糕:)
MikeJ-UK

mea culpa :-(-我将发问者与提问者混在一起-在Jon发表评论后,评论应该留在我文章的结尾:-)。我不是在批评您-抱歉,如果那样的话。我打算评论乔恩的询问,鉴于显然缺乏钽,为什么他们会指定钽。再次抱歉。
罗素·麦克马洪
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