Данная статья - что-то типа небольшого ликбеза, на который меня сподвигла недавняя статья на Хабре, про буферизацию источников питания.
Очень часто разработчикам приходится иметь дело с нестабильными или пульсирующими источниками питания, либо с пульсирующим потреблением. Соответственно, это приводит к провалам и броскам напряжения, вплоть до того, что устройством становится невозможно пользоваться, или оно вообще выходит из строя. Первое, что приходит в голову в таких случаях - поставить буферный конденсатор. Но для того, чтобы этот конденсатор реально помог - необходимо его правильно выбрать. Рассмотрим простейший пример - пропадание питания, которое устройство должно пережить без сбоев.
Прежде всего - в конденсаторе в принципе должно быть запасено достаточно энергии для того, чтобы обеспечить ей устройство на время пропадания основного питания. Допустим, мы питаемся от 12В, устройство потребляет мощность 20 Вт, допустимое минимальное рабочее напряжение - 9В. И пусть допустимое пропадание напряжения составляет 20 мсек. Для того, чтобы устройство протянуло на буферных конденсаторах это время, в них нужно запасти 0,4 Дж (считаем по формуле E = P*t, то есть, энергия есть произведение мощности на время). И после того, как из конденсатора потребитель вытянет эти 0,4Дж, в них должно остаться достаточно энергии, чтобы напряжение не опустилось ниже 9В.
Формула, по которой рассчитывается энергия, запасённая в конденсаторе, выглядит следующим образом: E=U^2 * С / 2. Необходимая дельта энергии нам известна, рабочее и минимальное напряжение - тоже, поэтому можно посчитать необходимую ёмкость. Подставляем наши значения, и получаем (12^2 * C/2) - (9^2 * C/2) = 0.4. Выражая отсюда C, получаем ёмкость в 12.5 тысяч мкФ. Ближайший сверху номинал - 15 тысяч мкФ. Учитывая требования по напряжению и ассортимент производителей - нам понадобится конденсатор 15000 мкФ 16В (а лучше - 25В). Это довольно большой по своим габаритам конденсатор (примерно с большой палец взрослого человека)
Ещё один момент, на который стоит обратить внимание - это способность конденсатора выдерживать импульсные нагрузки. Конденсатор может иметь огромную ёмкость, но не иметь возможности быстро её отдать. У конденсаторов есть такая характеристика, как ESR, "эффективное последовательное сопротивление". Так, например, у ионисторов может быть огромная ёмкость, измеряемая единицами фарад (ну, или миллионами микрофарад, если так привычнее), но из-за высокого ESR быстро забрать с них весь этот заряд невозможно, а любая попытка забрать большой ток будет приводить к тому, что заметная часть заряда превратится в тепло, нагревающее сам конденсатор.
Вернёмся к примеру выше. Допустим, у нас провал напряжения не 20 мсек, а 1 мсек, но потребляемая мощность не 20 Вт, а 400. То есть, нам надо обеспечить те же самые 0.4Дж энергии. Если считать по ёмкости, то конденсатор нужен тот же самый, но типичный ESR подобного одиночного электролита - десятки миллиОм. Попытка забрать с него ток в 30-40 ампер приведёт к тому, что напряжение на выводах конденсатора упадёт на 1-2 вольта, а примерно 10-15% (или даже больше) накопленной в нём энергии рассеется в тепло. В конечном итоге напряжение просядет ниже допустимого заметно раньше, чем предполагалось. В этом случае необходимо ставить несколько конденсаторов параллельно, причём стараться выбирать lowESR-конденсаторы. Это потребует ещё больше места на плате и внутри устройства в целом.
В целом, у конденсаторов ещё довольно много различных нюансов, но, как правило, уже того, что описано выше - достаточно, чтобы поставить крест на идее поставить буферный конденсатор на вход мощного потребителя
Комментарии (31)
Markscheider
14.06.2022 13:09+1Приятно на хабре видеть статью с формулами.
А можно вас попросить добавить механику расчета всего того же, но с использованием в формуле ESR? То есть для высокотоковых случаев
UPD:
Про поставить крест - я не был бы так категоричен. Бывают же устройства, где объем корпуса не столь критичен. Туда можно хоть батарею конденсаторов поставить, если не жалко :)
Hlad Автор
14.06.2022 13:20С высокотоковыми, на самом деле, всё заметно сложнее, и там не ESR-ом одним проблемы обусловлены
Vladusik2
14.06.2022 15:09Спасибо. Теперь понятно почему применяют разные типы конденсаторов танталовые, пленочные, электролитические и тд.
wilczek
14.06.2022 15:31+1Вообще-то, если не общепринятым, то достаточно распространенным решением есть использование для защиты от провалов входного напряжения схемы с зарядом конденсатора до достаточно высокого напряжения. Ведь запасенная энергия растет пропорционально квадрату напряжения. Если в приведенном примере предположить, что буферный конденсатор заряжается до 40 В, то конденсатора 820 мкФ будет вполне достаточно. Размеры - 12.5 диаметр и 26.5 высота. Существуют интегральные решения для тех, кто посетует на сложность схемы в этом случае.
Hlad Автор
14.06.2022 15:41Так тоже можно. Только маленькое замечание — для того, чтобы заряжать конденсатор до 40В, очень желательно, чтобы его рабочее напряжение было в районе 50В, а лучше — 63В. А это немного другие габариты. Ну и схема питания реально усложняется.
StpMA
14.06.2022 15:59Схема усложнится до полутора-двух раз. Но все равно экономия на объеме, занимаемом конденсаторами. Правда, вас могут не устроить пропорции формы конденсаторов.
Hlad Автор
14.06.2022 16:01А можно развернуть, что означает «до полутора-двух раз»? По сравнению с чем?
StpMA
14.06.2022 16:17Ну вот в вашем примере. На входе 12В, штатное нагрузки 9В. Т.е. работа без накопителя подразумевает понижалку. Допустим мы хотим накопитель на 40В. Нужна повышалка с 12 на 40В и понижалка с 40В до 9В. Усложнение схемы вдвое. Но если у вас стоят задачи накопителя, значит вполне возможно еще до добавления высоковольтного накопителя схема была значительно сложнее простой понижалки. Тут усложнение схемы будет менее двух раз. На 100Вт вполне реально сделать накопитель приемлемого размера. А, например, для буферизации питания SSD вообще на одной микросхеме.
wilczek
14.06.2022 17:01А это немного другие габариты.
Я как раз и привел габариты конденсатора на 50 В ))
Ну и схема питания реально усложняется.
Повторюсь, есть готовые решения. Например - смотреть, например, LTC3643.
n2dt4qd2wg9b
15.06.2022 02:17Да, посмотрите картинку Crucial mx300 m2 версии. Там 22В заряд, Каждая емкость - 20мкФ
nixtonixto
15.06.2022 08:19Сейчас более распространены ионисторы — их уже научились делать с ESR на уровне миллиом (ионистор на пару фарад размером 10*20 мм разогревает свои закороченные выводы), особенно для низковольтных устройств. Проблема только с рабочим напряжением 2,7 В — приходится ставить последовательно. В пересчёте на энергию они заметно компактней электролитов.
2 преобразователя — для заряда буферного конденсатора и питания схемы от него — добавляют пульсаций питания.
RTFM13
14.06.2022 16:43+1Вообще-то, если не общепринятым, то достаточно распространенным решением есть использование для защиты от провалов входного напряжения схемы с зарядом конденсатора до достаточно высокого напряжения. Ведь запасенная энергия растет пропорционально квадрату напряжения.
Схему надо рассматривать в комплексе. Если после нашего конденсатора стоит линейный стабилизатор, то расчеты будут уже другие с учетом роста потерь на стабилизаторе.
Если мы говорим, про сетевой AC-DC то, конечно, емкость лучше наращивать в высоковольтной части с некоторыми оговорками (см. ниже)
расчета всего того же, но с использованием в формуле ESR
Там не одна формула, а много т.к. ESR бывает не только вреден, но и полезен. Банальный пример - ограничение зарядного тока конденсаторов с помощью термистора или другими способами.
Вообще конденсатор в качестве нагрузки в верхнем пределе эквивалентен короткому замыканию. По этому при слишком больших емкостях возможно срабатывание защиты от КЗ/перегрузки или при его отсутствии выходу из строя источника. В спеках на микросхемы часто указана максимальная емкость нагрузки и не только из-за перегрузки.
Кроме этого высокие импульсные токи несут свои проблемы в виде помех, например.
wilczek
14.06.2022 17:14+1Схему надо рассматривать в комплексе. Если после нашего конденсатора стоит линейный стабилизатор...
Упаси Вас Бог, кто же так делать-то будет? ))
Для примера, как можно сделать, предлагаю ознакомиться с LTC3643
JerleShannara
14.06.2022 23:35Делали и будут делать. Для входных цепей приёмников к примеру. Для питания PLL тоже. Я либо вылечу за рамки бюджета, либо получу слишком шумное питание, если вместо LDO поставлю обычный DC/DC преобразователь, а мало(причём я бы сказал не просто мало, а микро) шумящий DC/DC ещё купи, да и даже до ковида они стоили весьма прилично. А бороться с шумом входных каскадов это очень своеобразное развлечение, которое иногда может вылиться в серьёзное DSP.
fk0
14.06.2022 16:57+1Нет смысла морочиться с джоулями, достаточно знать "школьную" формулу заряда: C * dU = I * dt. Ток потребляемый прибором примерно константа, как и рабочее напряжение не скачет на порядки, за редкими случаями, вроде расчета конденсатора в первичной цепи импульсного источника питания, где dU меняется не на проценты, а в разы. Для инженерных расчётов (использование в выпрямителе, входной/выходной конденсатор линейного стабилизатора) сойдёт, и без лишних интегралов.
Hlad Автор
14.06.2022 17:02+1Через энергию, на мой взгляд, проще уложить в голове: понятен физический смысл всех этих формул.
RTFM13
14.06.2022 19:08проще уложить в голове: понятен физический смысл
Физический смысл понятен в обоих случаях одинаково, только в одном случае сделано допущение, что нагрузка потребляет постоянный ток, а в другом - постоянную мощность.
Упаси Вас Бог, кто же так делать-то будет? ))
Во-первых, распространенная практика (с небольшими оговорками). Во-вторых, это просто пример того, что реакция нагрузки на повышение напряжения может быть разная.
akhkmed
14.06.2022 20:36+3Проще опираться не на энергию, а на ток и падение напряжения. Если мы знаем, что потребляемый ток I, а за полупериод dt напряжение не должно упасть ниже dU, то ёмкость конденсатора должна составить не менее C=dt*I/dU
q=dt*I=C*dU - это заряд
3eBaKa
14.06.2022 22:35Пример расчета правильный (сам так делаю и всем советую), а вот вывод какой то, извините, странный. Допустим нам надо отдавать в импульсе те самый 400 Вт в течение 1 мс со скважностью 20 (то есть один импульс 1мс с периодом в 20 мс). Какие у нас варианты:
1) Полноценный ИП на 400 Вт (500Вт запасец то нужен). Будет отдавать 12 В 33 А с небольшим перерегулированием на импульсе (плюс минус 5% наверное где то вряд ли больше для современных БП, хотя бывают сюрпризы, особенно если с холостого хода наваливать сразу).
2) ИП на 25 Вт (запасец) плюс батарея конденсаторов нууу... 2200 мкФ 16 В х 10 шт. опять таки с запасом на старение и 20% емкости (смысла брать 25 В для электролитических конденсаторов я не вижу). Будет проваливаться на 1,5 В не считая ESR. Если возьмем конденсаторы с ESR 15...20 мОм, то где то 50...100 мВ, ну плюс плата провода и прочие паразиты, будем считать что суммарно 2 В провала максимум.
Идем на маузер, смотрим:
ИП 500 Вт имеет габарит 130х86х43 мм и стоит ~100 евро.
ИП 25 Вт имеет габарит 76х50х24 мм и стоит ~15 Евро + 10 конденсаторов 2200 мкФ 16 В ESR=15 мОм, габаритом 10х25 мм каждый, ценой ~1 евро каждый. Можно сложить на платку габаритом ну 30х60х30 например. Правда не точно, что этот ИП на такую батарею вообще включится, тут есть тонкость, надо смотреть внимательно. И обязательно ИП должен уметь работать в режиме ограничения тока (или мощности), они почти все умеют, но тоже важно смотреть. Если выключится - ничего хорошего не получится.
Итого имеем: 100 евро/450 куб.см. vs 25 евро/150 куб. см.
Согласитесь, уже не звучит как поставить крест? (Хотя нюансов тут много, если есть евро и объем - то лучше поставить 500 Вт источник, тут согласен, но иногда все эти цифры умножаются на 100, а то и на 1000, там хочешь не хочешь, а идешь на компромисс).
Hlad Автор
14.06.2022 22:47У вас, вероятно, перепутались в голове моя статья, и та, на которую я дал ссылку в самом начале текста. Если имеет место импульсное потребление, и стоит выбор "ставить источник по максимуму, или нормальные конденсаторы", то второй вариант, разумеется, имеет смысл.
3eBaKa
15.06.2022 09:30Не, я просто не очень понял вывода, что на накопительном конденсаторе надо поставить крест, и использовал цифры из Вашей статьи (20 Вт источник питания и 400 Вт нагрузки в течение 1 мс) чтобы показать, что это не совсем так. Подход с разработкой специализированного источника питания, как в первой статье, мне и самому ближе, но при ограниченных временных и финансовых ресурсах, использование стандартного ИП с конденсаторным накопителем на выходе вполне имеет право на жизнь.
RTFM13
15.06.2022 01:11Накопитель энергии (в простейшем случае - конденсатор) ставится в общем случае ближе к импульсной нагрузке. При чем тут вообще блок питания не очень понятно.
Наверное, в каких-то случаях целесообразно объединять накопитель энергии и блок питания, но это скорее исключения. Уж точно нет смысла использовать импульсный БП на 5% номинала.
n2dt4qd2wg9b
15.06.2022 02:20Потому что, как правило, любая конструкция работает от ИП.
И намек на то, что накапливать лучше в его высоковольтной части
Естественно, если приемлемо.
alexhott
15.06.2022 12:54На велик после динамки ставил диодный мост и полный бардачек конденсаторов навыковярных на помойке.
Магнитофон играл 2 секунды после остановки
greensky
15.06.2022 12:58+1Есть еще нюанс с буферными конденсаторами и нестабильной нагрузкой: при отсутствии дополнительной стабилизации после буферного конденсатора, можем получить неприятный сюрприз из-за очевидной способности конденсатора в отсутствие нагрузки или ее незначительности заряжаться до максимальной величины напряжения в цепи (мы же нестабильные или пульсирующие источники рассматриваем). Это напряжение может оказаться существенно выше рабочего - не все виды нагрузки выдержат такое издевательство.
Jury_78
В былые времена ... По питанию, кроме конденсатора ставили еще индуктивность. Правда с индуктивностями может быть сложнее чем с конденсаторами.
Javian
Аудиофилы их выкусывают или закорачивают. Говорят "звук лучше".
maledog
Так же добавляются "теплые ламповые" помехи от источника питания, а еще в нем трансформатор должен быть весом 2-3 килограмма.
Javian
Там новая мода - Литий-титанатные аккумуляторы в качестве буферных конденсаторов.
Jury_78
Это ж хорошо, не будет усилитель вместе с наушниками на пол падать...
SADKO
Ой, да ладно, сдвоенный диод (лампа) и дроссель между конденсаторами это классика.