WHITE PAPER Welches ist die optimale Ausgangskondensatortechnologie für einen DC/DC-Wandler? R. Faltus, Z. Flegr, R. Sponar, M. Jáne, T. Zednícek
Zusammenfassung Schaltstromversorgungen (SMPS, Switching Mode Power Supplies) sind in vielen elektronischen Systemen zu finden. Wichtige Anforderungen an Schaltstromversorgungen sind: stabile Ausgangsspannung unter allen Laststrombedingungen, geringe Temperaturdrift, geringe Welligkeit und hoher Gesamtwirkungsgrad. Schaltstromversorgungen für mobile Geräte sollten außerdem möglichst klein und leicht sein. Ein Schlüsselbauteil in Schaltstromversorgungen ist der – zur Speicherung von Ladung und zur Glättung von Spannungen dienende – Ausgangskondensator. Die verwendeten Kondensatoren müssen sorgfältig ausgewählt werden, weil sie für die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung von entscheidender Bedeutung sind. Es stehen mehrere Kondensatortechnologien zur Auswahl – Tantal, Keramik (MLCC), Niobioxid (NbO) und Aluminium – die sich in ihren elektrischen Eigenschaften erheblich voneinander unterscheiden.
Dieser Artikel präsentiert die Ergebnisse einer
Betriebsspannungen von Notebooks liegen in der
Benchmark-Studie
Regel
zum
Ausgangskondensatoren
Verhalten in
einem
von DC/DC-
zwischen
15
und
22V,
die
internen
Betriebsspannungsschienen arbeiten häufig mit 3,3
Abwärtswandler-Design auf der Basis des weit
und 5V.
verbreiteten Controller-ICs MAX 1537 mit einem
Mit
Eingangsspannungsbereich von 6 bis 24V und
Halbleiterhersteller
zwei separaten Ausgängen, 3,3V bzw. 5V. Untersucht
Controller an, die für diese Spannungsbereiche
wurde
optimiert wurden. Ein solcher Controller bildet
die
Ausgangsspannungswelligkeit
bei
Verwendung verschiedener Kondensatortypen.
Blick
auf
diese
Marktsituation
integrierte
bieten
DC/DC-Wandler-
zusammen mit einigen externen passiven, diskreten Bauteilen einen DC/DC-Wandler, der Ausgangsströme
Die Auswahl eines geeigneten Ausgangskondensators
bis zu einigen Ampere liefern kann. Die Benchmark-
spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von
Messungen wurden an einem Evaluation-Kit für
Schaltregler-Spannungswandlern. “Etwa 99 Prozent
Notebook-DC/DC-Wandler durchgeführt, das auf dem
der 'Design'-Probleme bei Linear- und Schaltregler-
Controller MAX1537 von Maxim basiert. Abbildung 1
Stromversorgungen lassen sich direkt auf den Einsatz
zeigt die Messanordnung.
Abbildung 1: Messanordnung mit Evaluation-Kit MAX1537EV als Messobjekt.
Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des ESR
ungeeigneter Kondensatoren zurückführen”, so wird im National Semiconductor IC Power Handbook behauptet. Der Ausgangskondensator ist deshalb so wichtig, weil er (zusammen mit der Hauptinduk-
Zunächst wurden die Frequenzcharakteristiken der
tivität) die zum Ausgangfließende elektrische Energie
Kapazität und des ESR zweier Kondensatorgruppen
speichert und die Ausgangsspannung glättet. Die
gemessen. Die erste Gruppe umfasste verschiedene
Frequenzabhängigkeit der Kapazität sowie der
220µF-Kondensatoren, die für das 3,3V-Erprobungskit
effektive Serienwiderstand (ESR, effective serial
spezifiziert waren. Die zweite Gruppe umfasste
resistance) und die Abhängigkeit dieser Größen
veschiedene
von
5V-Erprobungskit
der
Temperatur
und
der
anliegenden
150µF-Kondensatoren, spezifiziert
die
waren.
für
das Hohe
Gleichspannung sind die wichtigsten Kenndaten von
Temperaturstabilität ist eine der am häufigsten
Ausgangskondensatoren; diese Parameter bestimmen
gestellten Anforderungen an einen DC/DC-Wandler.
maßgeblich die Leistungsfähigkeit und Funktionalität
Deshalb bestimmten wir mit einer zweiten Messung
des gesamten Stromversorgungssystems. In einem
die Kapazitäts- und ESR-Stabilität in Abhängigkeit von
Benchmark-Test wurden diese Schlüsselparameter an
der Temperatur und der anliegenden Gleichspannung.
verschiedenen Kondensatortypen gemessen. Notebooks
zählen
elektronischen weil
sie
hohe
zu
den
anspruchsvollsten
DC/DC-Wandler-Anwendungen, Ausgangsströme
erfordern.
Die
1
Frequenzcharakteristiken verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang
Abbildung 2: Kapazität verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz.
Abbildung 3: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz.
2
Die
Abbildungen
2
und
Frequenzcharakteristiken satortypen,
die
für
3
zeigen
verschiedener
den
Kondensatoren im Frequenzbereich von 10 und
Konden-
100kHz nur einen leichten Kapazitätsabfall; dagegen
des
zeigen die Tantal-MnO2- und Aluminium-Elektrolyt-
Erprobungskits spezifiziert sind. Alle getesteten
kondensatoren im gleichen Frequenzbereich einen
Kondensatoren hatten eine Nennkapazität von 220µF
stärkeren Abfall. Die tatsächliche Kapazität des MLCC-
(mit Ausnahme des MLCCs, hier wurden zwei 100µF-
Kondensators ist wegen der während der Messung
Kondensatoren parallelgeschaltet). In die Messungen
anliegenden Gleichspannung kleiner als der Nennwert.
wurden
Kondensatortechnologien
Abbildung 3 lässt den sehr kleinen ESR der MLCC-
einbezogen: Tantal-Polymer, Tantal-MnO2 (Einzel- und
Kondensatoren und den immer noch relativ kleinen
Mehranodenkonstruktion), Niobioxid-MnO2, MLCC
ESR der Tantal-Polymer-Kondensatoren erkennen. Der
und Aluminiumelektrolyt.
ESR von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist über
folgende
3,3V
die
Ausgang-
den gesamten gemessenen Frequenzbereich relativ Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, zeigen die Tantal-Polymer-
und
groß.
Tantal-MnO2-Multi-Anoden-
Abbildung 4: Kapazität verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz.
3
Abbildung 5: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. Die
Abbildungen
4
und
Frequenzcharakteristiken Kondensatortypen
für
5
der den
5V
zeigen
die
Abhängigkeit der Kapazität von Spannung und Temperatur
verschiedenen Ausgang-
des
Die Benchmark-Tests haben ergeben, dass Konden-
Erprobungskits; die Nennkapazität beträgt 150µF, mit
satoren
Ausnahme des MLCCs (100µF) und des Aluminium-
Gesamt-Kapazitätsstabilität aufweisen. Die Kapazität
Elektrolytkondensators (100µF).
von
in
Tantal-MnO2-Technologie
die
Niob-Oxid-MnO2-Kondensatoren
größere
Abhängigkeit
von
der
zeigt
beste
eine
anliegenden
Tantal-MnO2-Kondensatoren, sowohl in Einzelanoden-
Gleichspannung und die von Tantal-Polymer-Konden-
als auch Multi-Anoden-Ausführung, behalten auch bei
satoren
höheren Frequenzen (oberhalb 100kHz) eine relativ
Temperatur. Die Kapazität von MLCCs ist in hohem
hohe Kapazität, wogegen Niob-Oxid-MnO2- und
Maße sowohl von der Temperatur als auch von der
Aluminium-Elektrolytkondensatoren
bei
anliegenden Gleichspannung abhängig. Die Kapazität
niedrigeren Frequenzen schneller an Kapazität
von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist zwar von
verlieren (siehe Abbildung 4). MLCCs glänzen im
der anliegenden Gleichspannung unabhängig, zeigt
Frequenzbereich um 100kHz herum durch einen
dafür aber eine starke Temperaturabhängigkeit.
schon
eine
größere
Abhängigkeit
von
der
sehr kleinen ESR; Multi-Anoden-Tantal-MnO2 und Tantal-Polymer-Kondensatoren zeigen im gleichen Frequenzbereich einen relativ kleinen ESR, wogegen
Abhängigkeit des ESR von Spannung und Temperatur
Aluminium-Elektrolytkondensatoren gesamten
Frequenzbereich
einen
über
den
Bei allen Kondensatortypen erwies sich der ESR als
großen
ESR
relativ
aufweisen.
unabhängig
von
der
anliegenden
Gleichspannung. Bei der Temperaturabhängigkeit zeigen sich jedoch Unterschiede. Bei Tantal-Polymerund MLCC-Kondensatoren ist der ESR am wenigsten
4
von der Temperatur abhängig. Der ESR von MLCC ist
das Spektrum des Tantal-MnO2-Designs schwächere
über den gesamten Temperaturbereich sehr klein. Bei
Oberwellen höherer Ordnung aufweist. Das gilt
Tantal-MnO2- und Niob-Oxid-MnO2-Kondensatoren
sowohl
nimmt der ESR mit steigender Temperatur ab.
5V-Ausgang. Die Grundfrequenz der Welligkeit ist
Aluminium-Elektrolytkondensatoren verhalten sich
natürlich gleich der Schaltfrequenz (fsw) des Wandlers,
anders
abnehmenden
in diesem Fall 300kHz. Bei Verwendung von MLCC-
Temperaturen (unter 0ºC) auf sehr hohe Werte an. Das
Kondensatoren zeigte sowohl die 3,3V- als auch die
liegt an der geringen Leitfähigkeit des nassen
5V-Schaltung unerwünschte Schwingungen mit einer
Elektrolyts bei niedrigen Temperaturen.
Frequenz von etwa 50 kHz und wegen der Instabilität
–
der
ESR
steigt
bei
für
den
3,3V-
als
auch
für
den
des Reglers eine hohe effektive Wechselspannung.
Welligkeit der DC/DC-WandlerAusgangsspannung Wenn
man
die
Spektren
der
Auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren lieferten keine befriedigenden Ergebnisse. Ausgangsspan-
nungswelligkeit des Tantal-Polymer-Designs und des Tantal-MnO2-Designs vergleicht, stellt man fest, dass
Abbildung 5: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz.
5
Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannungswelligkeit
Abbildung 6: a) Welligkeit der 3,3V-Ausgangsspannung; b) vergrößerter Ausschnitt.
Abbildung 7: a) Welligkeit der 5V-Ausgangsspannung; b) vergrößerter Ausschnitt.
6
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen, dass die Schaltungen
der
mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren und MLCC-
Elektrolytkondensatoren haben über den gesamten
Kondensatoren über einen weiten Temperaturbereich
Temperaturbereich hinweg einen so großen ESR, dass
eine hohe Ausgangsspannungswelligkeit aufweisen.
sie die Ausgangsspannung nur ungenügend glätten –
Die Abbildungen 6b und 7b zeigen einen vergrößerten
bei
Ausschnitt des Diagramms. Bei beiden Ausgängen und
nungswelligkeit wesentlich höher als bei anderen
bei den meisten Kondensatortechnologien verringert
Technologien. Beim Einsatz von MLCC-Kondensatoren
sich die Welligkeit mit zunehmender Temperatur
führt der sehr kleine ESR zur Instabilität der
annähernd
Aluminium-Elektrolytkonden-
Schaltung, was ebenfalls eine hohe Welligkeit zur
satoren und MLCC-Kondensatoren stellen in dieser
Folge hat. Bei den anderen Technologien ist die
Hinsicht eine Ausnahme dar. Diese Kondensatortypen
Ausgangsspannungswelligkeit
zeigen ein eher exponentielles Temperaturverhalten
je kleiner der ESR und je größer die Kapazität ist.
linear.
Kapazität
dieser
und
Technologie
des
ist
ESR.
die
Aluminium-
Ausgangsspan-
umso
Zusammenfassung
Ergebnisse vorläufiger statischer Messungen an verschiedenen Ausgangskondensator-Typen
7
geringer,
Ergebnisse von Messungen an einer ausgeführten Stromversorgung
Fazit Bei unseren Experimenten zeigte sich, dass der ESR von
kleinen ESR aufweisen – beispielsweise Tantal-
MLCC-Kondensatoren (Größenordnung 1 – 2mΩ) für
Polymer-
die gegebene Schaltung zu klein ist; dadurch begann
Multi-Anoden-Ausführungen
die Schaltung zu schwingen, was zu einer relativ hohen
Ausgangsspannungswelligkeit über den gesamten
Ausgangsspannungswelligkeit führte. Deshalb ist
Temperaturbereich erzielt. Beim Einsatz von MLCC-
dieser Kondensatortyp für diesen Benchmark-Test
oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren muss man
ungeeignet. Beim Einsatz von MLCCs muss man
sorgfältig prüfen, ob die Schaltung stabil arbeitet
sorgfältig überprüfen, ob die Schaltung bei derart
(MLCC) bzw. ob die Ausgangsspannungswelligkeit
kleinen ESR-Werten noch stabil arbeitet. Bei den
noch
Benchmarks
Kosten/Performance-Verhältnis lässt sich auch unter
zeigten
die
Aluminium-
oder
Tantal-MnO2-Typen,
akzeptabel
ist
–
insbesondere
die
(Aluminium).
geringste
Ein
Verwendung von NbO-Kondensatoren erzielen.
Elektrolytkondensatoren wegen ihrer großen ESRWerte, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, eine hohe Ausgangsspannungswelligkeit und eine unzureichende Glättung. Unsere Messungen an einem Erprobungskit Maxim MAX1537EVKIT haben gezeigt, dass man mit Ausgangskondensatoren, die einen
8
gutes
