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Sep 24, 2023

Choix des valeurs de capacité pour une étape

Dans mon dernier article, nous avons discuté des principales caractéristiques des condensateurs électrolytiques en céramique, en aluminium et au tantale ; nous avons ensuite étudié le rôle de la résistance série équivalente (ESR) du condensateur de sortie dans

Dans mon dernier article, nous avons discuté des principales caractéristiques des condensateurs électrolytiques en céramique, en aluminium et au tantale ; nous avons ensuite étudié le rôle de la résistance série équivalente (ESR) du condensateur de sortie dans la conception de régulateurs à découpage. Nous allons maintenant examiner les compromis impliqués dans la sélection d'une valeur de capacité et travailler sur un exemple de conception basé sur l'ondulation de sortie souhaitée. Toutes les simulations LTspice utiliseront le schéma de la figure 1, bien que la valeur de C1 change.

Les valeurs de capacité plus élevées et plus faibles ont toutes deux leurs propres avantages et inconvénients : vous devrez décider quelle valeur les équilibre le mieux pour votre application prévue. À cette fin, examinons brièvement les deux ensembles d’avantages.

Comme nous l'avons évoqué dans l'article précédent, le type de condensateur affecte la valeur de la capacité. Dans un sens, la valeur de la capacité aide également à déterminer le type de condensateur : par exemple, le choix d'une capacité de sortie élevée exclut pratiquement l'utilisation d'un condensateur céramique. Étant donné que les condensateurs céramiques offrent un faible ESR et sont généralement préférables pour les circuits SMPS, il peut être intéressant de choisir une valeur de capacité inférieure pour profiter de cette technologie.

Les boîtiers de condensateurs céramiques plus petits ont une inductance plus faible et sont par conséquent plus efficaces aux hautes fréquences ; de plus, l'exigence d'une capacité de sortie plus faible se traduit généralement par un condensateur moins coûteux et moins encombrant.

Enfin, maintenir une capacité de sortie faible évite le problème d'une capacité de sortie excessive, qui peut amener le régulateur à consommer tellement de courant au démarrage qu'il passe en mode de protection contre les surintensités.

Avec les condensateurs électrolytiques, l'ESR a tendance à diminuer à mesure que la capacité augmente. De plus (et quel que soit le type de condensateur), l'amplitude de l'ondulation de sortie est inversement proportionnelle à la capacité de sortie : plus de COUT signifie moins de ΔVOUT.

Gardez à l’esprit que l’ondulation de la sortie est une considération majeure. La tension de sortie ondulée est l'une des faiblesses fondamentales des alimentations à découpage par rapport aux régulateurs linéaires. Dans certaines applications, minimiser l’ondulation de sortie est un objectif de conception important.

Si vous avez en tête une spécification d'ondulation de sortie maximale, vous pouvez l'utiliser comme base pour choisir une valeur de capacité. Voici la formule :

$$C_{OUT}=\frac{\Delta I_L}{8\times f_S\times\Delta V_{OUT}}$$

Imaginons que nous utilisons cette formule pour choisir une valeur initiale pour COUT et que nous n'avons pas encore de valeur simulée pour l'ondulation du courant d'inductance (ΔIL). Dans ce cas, nous pouvons utiliser la règle des 30 % que nous avons vue pour la première fois dans l'article sur le choix d'une valeur d'inductance : nous visons une ondulation du courant d'inductance crête à crête qui représente 30 % du courant de sortie attendu, c'est-à-dire ΔIL = 0,30 × 70 mA = 21 mA.

Nous avons déjà choisi une fréquence de commutation (fS) de 1,5 MHz. Il ne nous reste plus qu'à choisir une spécification pour ΔVOUT.

Bien que la formule ci-dessus implique que vous pouvez simplement continuer à ajouter de la capacité de sortie jusqu'à ce que l'ondulation disparaisse, dans la vraie vie, il existe des limites pratiques. À titre d'exemple, le LTM4702 d'Analog Devices fait partie de la gamme « Silent Switcher » de régulateurs à découpage à faible bruit. Les personnes qui ont conçu ce composant en savent beaucoup plus que moi sur l'optimisation des performances du mélangeur, et pourtant, l'ondulation de sortie typique du LTM4702 est de 8 mV (et cela avec une capacité de sortie de 200 μF).

Heureusement, même s'il est difficile de savoir à quel point l'ondulation doit être faible pour une application donnée, d'après mon expérience, les circuits basse tension - même les circuits analogiques - sont assez résistants au bruit sur la ligne électrique (n'oublions pas que chaque circuit intégré a déjà son propre condensateur de dérivation).

Je pense que ΔVOUT = 20 mV est un objectif réalisable, nous l'utiliserons donc comme point de départ. Si nous exécutons les nombres à ΔVOUT = 20 mV, nous obtenons ce qui suit :

$$C_{OUT}=\frac{.021\ A}{8\times 1500000\ Hz\times .020\ V}=87.5\ nF$$

Revenons maintenant au schéma LTspice et modifions la valeur de C1 à 87,5 nF. La figure 2 montre un tracé de VOUT :

Comme vous pouvez le voir dans la zone du curseur, la variation crête à crête de VOUT est assez proche de notre valeur théorique de 20 mV.