Про буферные конденсаторы

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 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