Mengapa lembar data LM1117 secara spesifik menentukan kapasitor tantalum?

Saya berencana menggunakan LM1117 untuk mengatur 5 V hingga 3.3 V. Melihat ( salah satu dari beberapa ) lembar data untuk LM1117, mereka merekomendasikan 10 μF kapasitor tantalum antara input dan ground dan antara output dan ground.

Saya mengerti perlunya kapasitor, tetapi tidak jelas bagi saya mengapa ini harus secara khusus menjadi tantalum. Saya memiliki banyak kapasitor elektrolitik 10 μF yang duduk di sekitar sini, sedangkan jika itu karena alasan tertentu perlu tantalum, saya harus memesannya.

Mengapa mereka begitu spesifik tentang penggunaan kapasitor tantalum?

Kapasitor Tantalum sama sekali tidak diperlukan dalam aplikasi ini.

• Satu-satunya alasan untuk memilih tantalum mungkin seumur hidup, dan ini dapat dirancang untuk dengan tutup elektrolit aluminium basah. Diasumsikan dari sini bahwa seumur hidup telah dirancang dengan baik dan tidak menjadi masalah.

• Menggunakan kapasitor tantalum sebagai kapasitor input mengundang kematian kapasitor setiap saat jika rel daya input dapat memiliki lonjakan tegangan di atasnya dari sumber mana pun. Lonjakan lebih dari sebagian kecil di atas nilai pengenal kapasitor tantalum berisiko kehancuran total dalam rangkaian energi tinggi, seperti ini.

• Input kapasitor adalah kapasitor reservoir tipikal, nilainya relatif tidak kritis. Tantalum tidak memiliki tujuan teknis di sini. Jika impedansi sangat rendah diinginkan maka penggunaan keramik paralel yang lebih kecil diindikasikan.

• Kapasitor output BUKAN kapasitor filter dalam arti tradisional. Peran utamanya adalah untuk memberikan stabilitas loop untuk regulator. (Misalnya resistor 10 ohm dapat ditempatkan secara seri dengan kapasitor tanpa mengganggu fungsinya. Tidak ada tutup filter normal yang akan mentolerir ini tanpa fungsionalitas yang terganggu).

• Karakteristik kapasitor elektrolit basah aluminium dari kapasitansi dan peringkat tegangan yang benar cocok untuk peran kapasitor keluaran. Tidak ada alasan untuk tidak menggunakannya di sana. Harga kapasitor 7 sen / data umum / lembar data ini akan menjadi pilihan yang dapat diterima di banyak aplikasi. (Aplikasi seumur hidup yang lebih lama dapat menunjukkan bagian 1 2000 jam / 105C).

The LM1117 datasheet memberikan panduan yang jelas tentang karakteristik penting dan diinginkan dari input dan output kapasitor. Kapasitor apa pun yang memenuhi spesifikasi ini cocok. Tantalum adalah pilihan yang OK tetapi bukan pilihan terbaik. Ada berbagai faktor dan biaya adalah satu. Tantalum menawarkan biaya OK per kapabilitas pada kapasitansi dari sekitar 10 uF ke atas. Kapasitor keluaran "aman" terhadap lonjakan pada kebanyakan kasus. Kapasitor input berisiko dari "perilaku buruk" dari bagian lain sistem. Paku di atas nilai pengenal akan menghasilkan lelehan (harfiah) yang menyala. (Asap, api, kebisingan, bau tak sedap, dan ledakan semuanya opsional -
Saya telah melihat satu tutup tantalum melakukan semua ini pada gilirannya :-))

Input kapasitor

Kapasitor input tidak terlalu kritis ketika regulator diumpankan dari bus sistem yang sudah dipisahkan dengan baik. Di bawah diagram di halaman depan mereka mencatat "Diperlukan jika regulator terletak jauh dari filter catu daya" - yang dapat Anda tambahkan "atau bagian lain dari pasokan yang terpisah". yaitu kapasitor yang digunakan untuk decoupling secara umum dapat membuat yang lain di sini berlebihan. Kapasitor output lebih penting.

Kapasitor keluaran

Banyak regulator kinerja tinggi drop out rendah yang tanpa syarat tidak stabil seperti yang disediakan. Untuk memberikan stabilitas loop, mereka membutuhkan kapasitor keluaran yang memiliki kapasitansi dan ESR dalam rentang yang dipilih. Memenuhi kondisi ini sangat penting untuk stabilitas dalam semua kondisi beban.

Kapasitansi keluaran diperlukan untuk stabilitas: Stabilitas membutuhkan kapasitor beban keluaran keluaran>> 10 uF ketika pin Cadj tidak memiliki kapasitor tambahan ke ground dan> = 20 uF ketika Cadj memiliki kapasitor bypass yang ditambahkan. Kapasitansi yang lebih tinggi juga stabil. Persyaratan ini dapat dipenuhi dengan tutup elektrolitik basah aluminium atau tutup keramik. Karena elektrolitik basah umumnya memiliki toleransi yang luas (hingga +100% / - 50% jika tidak ditentukan secara bijak), elektrolit basah aluminium 47 uF akan memberikan kapasitansi yang memadai di sini bahkan ketika Cadj dilewati. TAPI itu mungkin atau tidak memenuhi spesifikasi ESR.

ESR kapasitor keluaran diperlukan untuk stabilitas:

ESR adalah "persyaratan Goldilocks" :-) - tidak terlalu banyak dan tidak terlalu sedikit.
ESR yang dibutuhkan dinyatakan sebagai

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Ini adalah persyaratan yang sangat luas dan tidak biasa. Bahkan arus riak yang cukup sederhana pada kapasitor ini akan menyebabkan jauh lebih besar dari variasi tegangan yang dapat diterima. Sudah jelas bahwa mereka tidak mengharapkan arus riak tinggi dan bahwa peran kapasitor terutama terkait dengan stabilitas loop daripada kontrol noise per se. Perhatikan bahwa regulator "jadul" seperti misalnya LM340 / LM7805 sering tidak menentukan kapasitor keluaran atau mungkin 0,1 uF. Sebagai contoh datasheet LM340 di sini mengatakan "** Meskipun tidak ada kapasitor output yang diperlukan untuk stabilitas, itu membantu respon sementara. (Jika perlu, gunakan 0,1 μF, cakram keramik)".

Kapasitor tantalum tidak diperlukan untuk memenuhi spesifikasi ini.
Kapasitor aluminium basah akan memenuhi spesifikasi ini dengan mudah. Berikut adalah beberapa ESR maksimum baru khas untuk kapasitor elektrolitik basah aluminium baru. Kelompok pertama adalah kapasitor yang dapat digunakan dalam aplikasi ini di ujung bawah kisaran kapasitansi. 10 uF, 10V adalah sekitar setengah dari ESR yang diizinkan - mungkin agak dekat untuk kenyamanan sepanjang hidup. Kelompok kedua adalah apa yang akan digunakan dengan memotong Cadj dan tetap dapat digunakan - ESR jauh dari batas di kedua arah. Kelompok ketiga adalah kapasitor yang dipilih untuk mendekati batas bawah (dan mereka akan mendapatkan resistensi yang lebih tinggi = lebih baik seiring usia). 100 uF 63V mendorong batas bawah - tetapi tidak perlu menggunakan bagian 63V di sini, dan itu akan menjadi lebih tinggi (= lebih baik) seiring bertambahnya usia. .

• 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

Mereka mengatakan dalam lembar data LM1117

• 1.3 Kapasitor Keluaran

  Kapasitor keluaran sangat penting dalam menjaga stabilitas regulator, dan harus memenuhi persyaratan yang disyaratkan untuk jumlah minimum kapasitansi dan ESR (Perlawanan Seri Setara).

  Kapasitansi keluaran minimum yang diperlukan oleh LM1117 adalah 10µF, jika kapasitor tantalum digunakan. Setiap peningkatan kapasitansi keluaran hanya akan meningkatkan stabilitas loop dan respon sementara.

  ESR dari kapasitor keluaran harus berkisar antara 0,3Ω - 22Ω. Dalam kasus regulator yang dapat disesuaikan, ketika CADJ digunakan, kapasitansi keluaran yang lebih besar (22μf tantalum) diperlukan

ESR sangat penting

TAMBAH - catatan

SBC Ditanyakan:

Saya sudah membaca ini berkali-kali - "menjaga stabilitas regulator".
Apa yang akan menjadi contoh dari regulator yang tidak stabil?
Apakah output berosilasi dengan riak tinggi atau tidak terdefinisi atau apa yang sebenarnya akan terjadi?

Ketidakstabilan regulator, dalam pengalaman saya, (dan seperti yang Anda harapkan) menghasilkan osilasi regulator, dengan level besar dan sering sinyal frekuensi tinggi pada output dan tegangan DC diukur dengan meter non-RMS yang nampak stabil DC pada nilai yang salah.

Berikut ini adalah komentar tentang apa yang mungkin Anda lihat dalam keadaan khusus - hasil aktual sangat bervariasi tetapi ini adalah panduan.
Lihatlah output dengan osiloskop dan Anda mungkin melihat misalnya 100 kHz gelombang semi sinus 100-an mV ke beberapa Volt amplitudo pada output 5VDC nominal.

Bergantung pada parameter umpan balik Anda mungkin mendapatkan osilasi frekuensi rendah, cukup lambat untuk melihat sebagai variasi pada meter "DC" dan Anda mungkin mendapatkan lebih seperti sinyal MHz.
Saya perkirakan:
(a) perubahan yang sangat lambat akan lebih cenderung menjadi amplitudo tinggi (karena menunjukkan bahwa sistem mengejar ekornya sedemikian rupa sehingga hampir dalam regulasi dan umpan balik korektif tidak membawanya dengan cepat ke dalam line, dan
(b) osilasi level MHz menjadi lebih mungkin untuk menjadi lebih rendah daripada amplitudo biasa karena ini menunjukkan bahwa laju perubahan jalur penguatan merupakan faktor utama dalam kecepatan respons. TAPI apa pun bisa terjadi.

Juga, bagaimana tepatnya ESR berperan di sini?
Seorang pejalan kaki yang naif seperti saya akan mengharapkan resistensi seri yang lebih rendah menjadi lebih baik.

Intuitif dan logis tidak selalu cocok.
Regulator pada dasarnya adalah penguat daya yang dikendalikan umpan balik.
Jika umpan balik negatif secara keseluruhan sistem stabil dan output DC.
Jika umpan balik neto positif Anda mendapatkan osilasi.
Umpan balik keseluruhan dijelaskan oleh fungsi transfer yang melibatkan komponen yang terlibat. Anda dapat melihat stabilitas dari sudut pandang misalnya kriteria stabilitas Nyquist atau (terkait) tidak ada kutub di setengah bidang kanan dan semua kutub di dalam satuan lingkaran atau ... agh !. Cukuplah untuk mengatakan bahwa umpan balik dari output ke input tidak memperkuat osilasi dan bahwa resistensi yang terlalu besar atau terlalu kecil dapat menyebabkan penguatan keseluruhan ketika dianggap sebagai bagian dari keseluruhan sistem.
Sederhana, bermanfaat .
Hanya sedikit lebih kompleks - baik
Sueful - pertukaran stack

Berguna

Banyak gambar terkait

Dan satu catatan terakhir, apakah Anda mengacu pada tegangan riak pada tutupnya yang besar (bahkan untuk arus kecil) sebagai masalah yang melekat karena ukurannya yang kecil? (mis. Vc = integral arus lebih dari kapasitansi?)

Mereka mengatakan "... 0,3 ohm <= ESR <= 22 ohm ..."
Jika Anda memiliki ESR 10 Ohm, maka setiap mA dari arus riak akan menyebabkan 10 mV variasi tegangan di seluruh kapasitor. 10 mA arus riak = 100 mV variasi tegangan dan Anda akan sangat tidak senang dengan regulator Anda. Regulator aktif dapat bekerja untuk mengurangi riak ini, tetapi menyenangkan untuk tidak memiliki kapasitor filter Anda menambah masalah yang Anda inginkan untuk memperbaikinya.

Saya menemukan referensi yang menarik dalam datasheet LM3940 TI (A 5V ke 3.3V LDO).

Tantalum ditentukan karena Elektrolit dapat meningkatkan ESR hingga 30x pada suhu yang sangat rendah.
Dimungkinkan untuk menghubungkan tantalum kecil secara paralel ke elektrolitik besar jika biaya menjadi masalah.

BATAS ESR: ESR dari kapasitor keluaran akan menyebabkan ketidakstabilan loop jika terlalu tinggi atau terlalu rendah. Kisaran ESR yang dapat diterima terhadap arus beban ditunjukkan pada Gambar 19. Sangat penting bahwa kapasitor output memenuhi persyaratan ini, atau osilasi dapat terjadi.
Gambar 19. Batas ESR
Penting untuk dicatat bahwa untuk sebagian besar kapasitor, ESR hanya ditentukan pada suhu kamar. Namun, perancang harus memastikan bahwa ESR akan tetap berada di dalam batas yang ditunjukkan pada seluruh rentang suhu operasi untuk desain. Untuk kapasitor elektrolit aluminium, ESR akan meningkat sekitar 30X karena suhu berkurang dari 25 ° C hingga -40 ° C. Kapasitor jenis ini tidak cocok untuk operasi suhu rendah. Kapasitor tantalum padat memiliki LED lebih stabil daripada suhu, tetapi lebih mahal daripada elektrolitik aluminium. Pendekatan hemat biaya yang kadang-kadang digunakan adalah untuk memparalelkan elektrolit aluminium dengan Tantalum padat, dengan total kapasitansi yang terpecah sekitar 75/25% dengan Aluminium menjadi nilai yang lebih besar. Jika dua kapasitor diparalelkan, ESR efektif adalah paralel dari dua nilai individual.

Electolytics memiliki kinerja frekuensi tinggi yang buruk dibandingkan dengan tantalums. Dengan harga tantalum hari ini saya akan merekomendasikan menggunakan salah satu elektrolitik Anda dengan kapasitor keramik kecil secara paralel - katakanlah 100nF. Itu tergantung pada apa yang Anda perkuat, tetapi biasanya tidak semua itu penting kecuali riak dan respons sementara sangat penting bagi Anda.