Escolhendo o tipo certo de capacitor de saída para um regulador de comutação

Artigos anteriores desta série examinaram o comportamento elétrico de reguladores de comutação redutores, forneceram orientação sobre o dimensionamento inicial do indutor e discutiram o ajuste fino da corrente do indutor e da indutância. Agora, com a ajuda das simulações do LTspice e do esquema abaixo (Figura 1), exploraremos a relação entre as características do capacitor e o desempenho dos conversores Buck de modo chaveado.

O indutor em um regulador de modo de comutação permite a ação de comutação liga/desliga para produzir uma forma de onda de corrente de aumento/desaceleração. No entanto, precisamos de capacitância de saída para armazenar e liberar carga de tal forma que a corrente que flui para a carga e a tensão através da carga permaneçam estáveis, apesar das variações (potencialmente muito grandes) na corrente do indutor. O gráfico abaixo (Figura 2) mostra o que acontece quando elimino virtualmente o capacitor de saída usando um valor muito pequeno para C1.

Vemos, então, que o capacitor de saída em um regulador de modo chaveado cumpre uma função crítica de filtragem. Este componente deve, portanto, ser selecionado cuidadosamente, com atenção tanto ao tipo de capacitor quanto ao seu valor de capacitância. Neste artigo, focaremos no tipo de capacitor; a seguir, discutiremos valor.

As três tecnologias de capacitores mais comumente usadas em dispositivos eletrônicos de baixa tensão são cerâmica (também conhecida como MLCC, que significa capacitor cerâmico multicamadas), eletrolítico de alumínio e tântalo. Resumi os prós e os contras de cada um abaixo, com ênfase nas qualidades relevantes para a comutação de fontes de alimentação; por favor, tenha em mente que estas são generalizações e que as generalizações, por natureza, sacrificam um certo grau de precisão pela brevidade e simplicidade.

A tendência no projeto de reguladores de comutação é em direção a frequências de comutação mais altas, o que permite menor capacitância de saída. Isto torna a cerâmica uma escolha mais viável para capacitores de saída; aqueles que desejam mais informações sobre este tópico podem encontrar meu guia para tipos de capacitores cerâmicos de interesse.

No geral, considero os capacitores cerâmicos os mais úteis. Só considero o alumínio eletrolítico ou o tântalo se houver uma razão convincente para evitar a cerâmica.

A característica que mais impacta sua escolha do tipo de capacitor de saída depende, pelo menos em parte, de suas prioridades. Porém, se você estiver se concentrando no desempenho elétrico, a resistência em série equivalente (ESR) é provavelmente o fator mais importante a considerar.

Em circuitos conversores de modo chaveado, ESR mais baixo geralmente é melhor. ESR mais alto leva a maior ondulação na tensão de saída e menor eficiência; também pode afetar negativamente a estabilidade da malha de controle que o regulador usa para manter uma tensão de saída especificada. Em teoria, entretanto, o circuito de controle de um switcher poderia ser projetado com capacitores com ESR mais alto em mente, portanto não podemos dizer que um ESR mais baixo é sempre melhor para a estabilidade. Um fato crucial a ter em mente é que o ESR do capacitor não é constante na frequência. Você precisa usar um valor ESR que corresponda à frequência operacional do seu circuito.

Se você estiver usando um switcher pronto para uso, a folha de dados incluirá exemplos de números de peças de capacitores ou uma faixa de ESR recomendada. Você também pode achar as simulações úteis para identificar parâmetros de capacitores bem-sucedidos, especialmente se a orientação da folha de dados for limitada ou indisponível, e você pode adicionar ESR a um capacitor ideal para tornar as simulações mais consistentes com o comportamento elétrico da vida real.

Um modelo mais completo para um capacitor da vida real inclui ESR e indutância em série equivalente (ESL). Você pode ler mais sobre ESR e ESL na Parte 2 da minha série sobre capacitores de bypass.

O gráfico a seguir (Figura 3) transmite a ondulação de saída para o circuito switcher mostrado na Figura 1 com um capacitor de saída idealizado (ESR = 0 Ω, ESL = 0 H).

Agora vamos modificar o capacitor de saída para que seu comportamento seja mais consistente com o de um capacitor cerâmico 0805. Definiremos a resistência em série equivalente para 10 mΩ, que é um valor razoável para um capacitor cerâmico na frequência operacional de 1,5 MHz do nosso switcher. O novo traçado VOUT é mostrado abaixo na Figura 4, com configurações idênticas para os eixos vertical e horizontal para facilitar uma comparação visual direta.