¿Por qué la hoja de datos LM1117 especifica específicamente los condensadores de tantalio?

Estoy planeando usar un LM1117 para regular 5 V a 3.3 V. Mirando ( cualquiera de las varias ) hojas de datos para el LM1117, recomiendan condensadores de tantalio de 10 µF entre entrada y tierra y entre salida y tierra.

Entiendo la necesidad de los condensadores, pero no me queda claro por qué estos deberían ser específicamente de tantalio. Tengo un montón de condensadores electrolíticos de 10 µF sentados por aquí, mientras que si por alguna razón necesita ser tantalio, tendré que pedirlos.

¿Por qué son tan específicos sobre el uso de condensadores de tantalio?

Los condensadores de tantalio son completamente innecesarios en esta aplicación.

• La única razón para elegir el tantalio podría ser la vida útil, y esto se puede diseñar con tapas electrolíticas húmedas de aluminio. Se asume de aquí en adelante que la vida útil ha sido diseñada adecuadamente y no es un problema.

• El uso de un condensador de tantalio como condensador de entrada invita a la muerte del condensador en cualquier momento si el riel de alimentación de entrada puede tener picos de voltaje desde cualquier fuente. Un pico más de una pequeña fracción por encima del valor nominal de un condensador de tantalio corre el riesgo de su destrucción total en un circuito de alta energía, como este.

• El condensador de entrada es un condensador de depósito típico, su valor es relativamente no crítico. El tantalio no tiene ningún propósito técnico aquí. Si se desea una impedancia ultrabaja, se indica el uso de una cerámica paralela más pequeña.

• El condensador de salida NO es un condensador de filtro en ningún sentido tradicional. Su función principal es proporcionar estabilidad de bucle para el regulador. (Por ejemplo, una resistencia de 10 ohmios podría colocarse en serie con el condensador sin impedir su funcionalidad. Ninguna tapa de filtro normal toleraría esto sin una funcionalidad deteriorada).

• Las características de los condensadores electrolíticos húmedos de aluminio con la capacidad y el voltaje correctos se adaptan bien a la función del condensador de salida. No hay razón para no usarlos allí. Este precio de condensador de 7 centavos / datos generales / hoja de datos sería una opción aceptable en muchas aplicaciones. (Las aplicaciones de mayor duración pueden indicar 1 2000 horas / 105 ° C).

La hoja de datos LM1117 proporciona una guía clara sobre las características esenciales y deseables de los condensadores de entrada y salida. Cualquier condensador que cumpla con estas especificaciones es adecuado. El tantalio es una buena opción, pero no es la mejor opción. Hay varios factores y el costo es uno. Tantalum ofrece un costo aceptable por capacidad en capacitancias desde aproximadamente 10 uF en adelante. El condensador de salida es "seguro" contra picos en la mayoría de los casos. El capacitor de entrada está en riesgo por "mal comportamiento" de otras partes del sistema. Los picos por encima del valor nominal producirán una fusión (literalmente) en llamas. (El humo, la llama, el ruido, el mal olor y la explosión son opcionales;
he visto una tapa de tantalio hacer todo esto a su vez :-))

Condensador de entrada

El condensador de entrada no es demasiado crítico cuando el regulador se alimenta desde un bus del sistema que ya está desacoplado. Debajo del diagrama en la página principal, señalan "Obligatorio si el regulador está ubicado lejos del filtro de la fuente de alimentación", al que podría agregar "u otra parte bien desconectada de la fuente". es decir, los condensadores utilizados para desacoplar en general pueden hacer que otro sea redundante aquí. El condensador de salida es más crucial.

Condensador de salida

Muchos reguladores modernos de alto rendimiento y baja caída son incondicionalmente inestables como se suministran. Para proporcionar estabilidad de bucle, requieren un condensador de salida que tenga capacitancia y ESR en rangos seleccionados. El cumplimiento de estas condiciones es esencial para la estabilidad en todas las condiciones de carga.

Capacitancia de salida requerida para la estabilidad: la estabilidad requiere que el capacitor de carga de salida de salida sea> = 10 uF cuando el pin Cadj no tiene un capacitor agregado a tierra y> = 20 uF cuando Cadj tiene un capacitor de derivación agregado. Las capacidades más altas también son estables. Este requisito podría cumplirse con una tapa electrolítica húmeda de aluminio o una tapa de cerámica. Como los electrolíticos húmedos son generalmente de amplia tolerancia (hasta +100% / - 50% si no se especifica de otra manera), un electrolítico húmedo de aluminio de 47 uF proporcionaría una capacidad adecuada aquí incluso cuando se puenteó Cadj. PERO puede o no cumplir con la especificación ESR.

Condensador de salida ESR requerido para la estabilidad:

El ESR es un "requisito de Ricitos de Oro" :-): ni demasiado ni muy poco.
La ESR requerida se indica como

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Este es un requisito extremadamente amplio e inusual. Incluso corrientes de ondulación bastante modestas en este condensador inducirían variaciones de voltaje mucho mayores que las aceptables. Está claro que no esperan altas corrientes de ondulación y que la función del condensador está relacionada principalmente con la estabilidad del bucle que con el control de ruido per se. Tenga en cuenta que los reguladores de la "vieja escuela" como, por ejemplo, LM340 / LM7805 a menudo no especifican condensador de salida o quizás un 0.1 uF. Por ejemplo, la hoja de datos LM340 aquí dice "** Aunque no se necesita un condensador de salida para la estabilidad, sí ayuda a la respuesta transitoria. (Si es necesario, use 0.1 µF, disco de cerámica)".

No se requiere un condensador de tantalio para cumplir con esta especificación.
Un condensador de aluminio húmedo cumplirá esta especificación con facilidad. Aquí hay algunos nuevos ESR máximos típicos para los nuevos condensadores electrolíticos húmedos de aluminio. El primer grupo son los condensadores que podrían usarse en la práctica en esta aplicación en el extremo inferior del rango de capacitancia. El 10 uF, 10V es aproximadamente la mitad del ESr permitido, quizás un poco cerca para mayor comodidad durante toda la vida. El segundo grupo es el que se usaría con Cadj omitido y podría usarse de todos modos: los ESR están muy lejos de los límites en ambas direcciones. El tercer grupo son los condensadores elegidos para acercarse al límite inferior (y obtendrán mayor resistencia = mejor con la edad). El 100 uF 63V empuja el límite inferior, pero no habría necesidad de usar una parte de 63V aquí, y aumentará (= mejor) con la edad. .

• 10uF, 10V - 10 ohmios
  10 uF, 25V - 5.3 ohmios

• 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

Dicen en la hoja de datos LM1117

• 1.3 condensador de salida

  El capacitor de salida es crítico para mantener la estabilidad del regulador, y debe cumplir con las condiciones requeridas tanto para la cantidad mínima de capacitancia como para la ESR (resistencia equivalente en serie).

  La capacidad de salida mínima requerida por el LM1117 es de 10 µF, si se usa un condensador de tantalio. Cualquier aumento de la capacitancia de salida simplemente mejorará la estabilidad del bucle y la respuesta transitoria.

  El ESR del condensador de salida debe oscilar entre 0.3Ω - 22Ω. En el caso del regulador ajustable, cuando se usa el CADJ, se requiere una capacitancia de salida mayor (22 µf de tántalo)

ESR es crucial

AGREGADO - notas

SBCasked:

Lo he leído muchas veces: "mantener la estabilidad del regulador".
¿Cuál sería un ejemplo de un regulador inestable?
¿La salida oscilaría con una gran ondulación o estaría indefinida o qué pasaría exactamente?

La inestabilidad del regulador, en mi experiencia, (y como era de esperar) da como resultado que el regulador oscile, con una señal de alto nivel y a menudo de alta frecuencia en la salida y un voltaje de CC medido con un medidor no RMS que parece ser CC estable en Un valor incorrecto.

El siguiente es un comentario sobre lo que puede ver en circunstancias típicas: los resultados reales varían ampliamente, pero esta es una guía.
Mire la salida con un osciloscopio y puede ver, por ejemplo, una onda semi sinusoidal de 100 kHz de 100's de mV a algunos voltios de amplitud en una salida nominal de 5VDC.

Dependiendo de los parámetros de retroalimentación, puede obtener una oscilación de baja frecuencia, lo suficientemente lenta como para ver variaciones en un medidor "DC" y puede obtener más señales de MHz.
Esperaría que:
(a) los cambios muy lentos sean más propensos a una gran amplitud (ya que sugiere que el sistema está persiguiendo su cola de tal manera que está casi en regla y que la retroalimentación correctiva no lo está llevando rápidamente a línea, y
(b) la oscilación de nivel de MHz es más probable que sea menor que la amplitud habitual, ya que sugiere que la velocidad de respuesta de la ruta de ganancia es un factor importante en la velocidad de respuesta. PERO puede suceder cualquier cosa.

Además, ¿cómo exactamente entra en juego el ESR aquí?
Un transeúnte ingenuo como yo esperaría que la resistencia de la serie más baja fuera mejor.

Lo intuitivo y lo lógico no siempre coinciden.
Un regulador es esencialmente un amplificador de potencia controlado por retroalimentación.
Si la retroalimentación es negativa en general, el sistema es estable y la salida es DC.
Si la retroalimentación del bucle neto es positiva, obtendrá oscilación.
La retroalimentación general se describe mediante una función de transferencia que involucra los componentes involucrados. Puede observar la estabilidad desde el punto de vista de, por ejemplo , los criterios de estabilidad de Nyquist o (relacionados) sin polos en el semiplano derecho y todos los polos dentro del círculo unitario o ... ¡ay! Es adecuado decir que la retroalimentación de salida a entrada no refuerza la oscilación y que una resistencia que es demasiado grande o demasiado pequeña puede conducir a un refuerzo general cuando se considera como parte del sistema general.
Sencilla, útil .
Solo un poco más complejo - bueno
Sueful - cambio de pila

Útil

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Y una nota final, ¿se refirió a que el voltaje de ondulación en la tapa es grande (incluso para corrientes pequeñas) como un problema inherente debido al pequeño tamaño? (es decir, Vc = integral de corriente sobre capacitancia?)

Dicen "... 0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm ..."
Si tiene un ESR de 10 Ohms, entonces cada mA de corriente de ondulación causará 10 mV de variación de voltaje a través del capacitor. 10 mA de corriente de ondulación = 100 mV de variación de voltaje y estaría muy descontento con su regulador. El regulador activo puede funcionar para reducir esta ondulación, pero es bueno no tener su condensador de filtro añadiendo al problema que desea solucionar.

Encontré una referencia interesante en la hoja de datos LM3940 de TI (A 5V a 3.3V LDO).

Los tantalios se especificaron porque Electrolytic puede hacer que su ESR aumente hasta 30 veces en temperaturas muy bajas.
Es posible conectar un tantalio pequeño en paralelo a un electrolítico grande si el costo es un problema.

LÍMITES DE ESR: El ESR del condensador de salida causará inestabilidad de bucle si es demasiado alto o demasiado bajo. El rango aceptable de ESR graficado frente a la corriente de carga se muestra en la Figura 19. Es esencial que el capacitor de salida cumpla con estos requisitos, o pueden producirse oscilaciones.
Figura 19. Límites de ESR
Es importante tener en cuenta que para la mayoría de los condensadores, la ESR se especifica solo a temperatura ambiente. Sin embargo, el diseñador debe asegurarse de que el ESR se mantenga dentro de los límites que se muestran en todo el rango de temperatura de funcionamiento para el diseño. Para los condensadores electrolíticos de aluminio, la ESR aumentará en aproximadamente 30X a medida que la temperatura se reduzca de 25 ° C a −40 ° C. Este tipo de condensador no es adecuado para la operación a baja temperatura. Los condensadores de tantalio sólido tienen una ESR más estable sobre la temperatura, pero son más caros que los electrolíticos de aluminio. Un enfoque rentable que a veces se usa es poner en paralelo un electrolítico de aluminio con un tantalio sólido, con la capacitancia total dividida alrededor del 75/25%, siendo el aluminio el valor más grande. Si dos condensadores están en paralelo, la ESR efectiva es el paralelo de los dos valores individuales.

Los electrolíticos tienen un rendimiento pobre de alta frecuencia en comparación con los tantalios. Con el precio del tantalio en estos días, recomendaría usar uno de sus electrolíticos con un pequeño condensador de cerámica en paralelo, digamos 100nF. Depende de lo que esté alimentando, pero generalmente no es tan crítico a menos que la ondulación y la respuesta transitoria sean especialmente críticas para usted.