Por que a folha de dados do LM1117 especifica especificamente capacitores de tântalo?

Eu estou pensando em usar um LM1117 para regular a 5 V a 3,3 V. olhando ( qualquer dos vários ) folhas de dados para o LM1117, eles recomendam 10 uF condensadores de tântalo entre a entrada e a terra e entre a saída e a terra.

Entendo a necessidade dos capacitores, mas não está claro para mim por que eles deveriam ser especificamente tântalo. Eu tenho um monte de capacitores eletrolíticos de 10 µF por aqui, enquanto que, por algum motivo, precisa ser tântalo, terei que encomendá-los.

Por que eles são tão específicos sobre o uso de capacitores de tântalo?

Os capacitores de tântalo são completamente desnecessários nesta aplicação.

• O único motivo para a escolha do tântalo pode ser a vida útil e isso pode ser projetado para as tampas eletrolíticas úmidas de alumínio. Supõe-se a partir de agora que a vida útil foi projetada adequadamente e não é um problema.

• O uso de um capacitor de tântalo como capacitor de entrada convida à morte do capacitor a qualquer momento, se o trilho de energia de entrada puder ter picos de tensão de qualquer fonte. Um pico acima de uma pequena fração acima do valor nominal de um capacitor de tântalo arrisca sua destruição total em um circuito de alta energia, como este.

• O capacitor de entrada é um capacitor típico de reservatório, seu valor é relativamente não crítico. O tântalo não serve a nenhum propósito técnico aqui. Se for desejada uma impedância ultra baixa, é indicado o uso de uma cerâmica paralela menor.

• O capacitor de saída NÃO é um capacitor de filtro no sentido tradicional. Seu principal papel é fornecer estabilidade de loop ao regulador. (Um resistor de 10 ohms, por exemplo, pode ser colocado em série com o capacitor sem impedir sua funcionalidade. Nenhuma tampa de filtro normal toleraria isso sem funcionalidade prejudicada).

• As características dos capacitores eletrolíticos úmidos de alumínio com a capacidade correta e a classificação de tensão adequadas são adequadas à função do capacitor de saída. Não há razão para não usá-los lá. Esse preço / dados gerais / folha de dados do capacitor de 7 centavos seria uma escolha aceitável em muitas aplicações. (Aplicativos com vida útil mais longa podem indicar 1 parte de 2000 horas / 105C).

A folha de dados do LM1117 fornece uma orientação clara sobre as características essenciais e desejáveis ​​dos capacitores de entrada e saída. Qualquer capacitor que atenda a essas especificações é adequado. O tântalo é uma boa opção, mas não é a melhor opção. Existem vários fatores e o custo é um. O tântalo oferece um custo OK por capacidade em capacitâncias de cerca de 10 uF. O capacitor de saída é "seguro" contra picos na maioria dos casos. O capacitor de entrada está em risco de "mau comportamento" de outras partes do sistema. Picos acima do valor nominal produzirão um derretimento (literalmente) de chamas. (Fumaça, chama, ruído, mau cheiro e explosão são opcionais -
vi uma tampa de tântalo fazer tudo isso por sua vez :-))

Capacitor de entrada

O capacitor de entrada não é muito crítico quando o regulador é alimentado a partir de um barramento do sistema já bem dissociado. Sob o diagrama na primeira página, eles observam "Necessário se o regulador estiver localizado longe do filtro da fonte de alimentação" - ao qual você pode adicionar "ou outra parte bem dissociada da fonte". isto é, capacitores usados ​​para desacoplar em geral podem tornar outro aqui redundante. O capacitor de saída é mais crucial.

Capacitor de saída

Muitos reguladores modernos de alto desempenho e baixa desistência são incondicionalmente instáveis ​​conforme fornecidos. Para fornecer estabilidade de loop, eles exigem um capacitor de saída com capacitância e ESR em faixas selecionadas. O cumprimento dessas condições é essencial para a estabilidade em todas as condições de carga.

Capacitância de saída necessária para estabilidade: A estabilidade exige que o capacitor de carga de saída seja> = 10 uF quando o pino Cadj não tiver um capacitor adicionado ao terra e> = 20 uF quando o Cadj tiver um capacitor de desvio adicionado. Capacitâncias mais altas também são estáveis. Este requisito pode ser atendido por uma tampa eletrolítica úmida de alumínio ou uma tampa de cerâmica. Como os eletrolíticos úmidos geralmente têm ampla tolerância (até + 100% / - 50%, se não especificado de outra forma), um eletrolítico úmido de alumínio de 47 uF forneceria capacitância adequada aqui, mesmo quando o Cadj fosse ignorado. MAS pode ou não atender às especificações de ESR.

ESR do capacitor de saída necessário para estabilidade:

ESR é um "requisito Goldilocks" :-) - nem muito nem muito pouco.
A ESR necessária é declarada como

    0.3 ohm <= ESR <= 22 ohm.

Este é um requisito extremamente amplo e incomum. Mesmo correntes de modulação bastante modestas neste capacitor induziriam variações de tensão muito maiores do que as aceitáveis. É claro que eles não esperam altas correntes de ondulação e que o papel do capacitor está relacionado principalmente à estabilidade do circuito do que ao controle de ruído em si. Observe que os reguladores da "velha escola", como, por exemplo, o LM340 / LM7805, geralmente não especificam capacitor de saída ou talvez 0,1 uF. Por exemplo, a folha de dados do LM340 aqui diz "** Embora nenhum capacitor de saída seja necessário para estabilidade, ele ajuda na resposta transitória. (Se necessário, use 0,1 µF, disco de cerâmica)".

Um capacitor de tântalo não é necessário para atender a esta especificação.
Um capacitor de alumínio úmido atenderá a essas especificações com facilidade. Aqui estão alguns novos ESRs máximos típicos para novos capacitores eletrolíticos úmidos de alumínio. O primeiro grupo são capacitores que podem ser utilizados na prática nesta aplicação na extremidade inferior da faixa de capacitância. O 10 uF, 10V é cerca da metade da ESr permitida - talvez um pouco mais perto do conforto durante toda a vida. O segundo grupo é o que seria usado com o Cadj ignorado e poderia ser usado de qualquer maneira - os ESRs estão longe dos limites em ambas as direções. O terceiro grupo são capacitores escolhidos para se aproximar do limite inferior (e obterão maior resistência = melhor com a idade). O 100 uF 63V aumenta o limite inferior - mas não seria necessário usar uma parte de 63V aqui, e ele aumentará (= melhor) com a idade. .

• 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

Dizem na folha de dados LM1117

• 1.3 Capacitor de saída

  O capacitor de saída é crítico para manter a estabilidade do regulador e deve atender às condições exigidas para a quantidade mínima de capacitância e ESR (resistência equivalente em série).

  A capacitância mínima de saída exigida pelo LM1117 é 10 µF, se for usado um capacitor de tântalo. Qualquer aumento da capacitância de saída apenas melhorará a estabilidade do loop e a resposta transitória.

  O ESR do capacitor de saída deve variar entre 0,3Ω e 22Ω. No caso do regulador ajustável, quando o CADJ é usado, é necessária uma capacitância de saída maior (22µf de tântalo)

ESR é crucial

ADICIONADO - notas

SBCasked:

Eu li isso muitas vezes - "mantenha a estabilidade do regulador".
O que seria um exemplo de um regulador instável?
A saída oscilaria com alta ondulação ou seria indefinida ou o que exatamente aconteceria?

A instabilidade do regulador, na minha experiência (e como seria de esperar), resulta no oscilador do regulador, com sinal de nível alto e frequentemente de alta frequência na saída e uma voltagem DC medida com um medidor não-RMS que parece estar estável na um valor incorreto.

A seguir, é apresentado um comentário sobre o que você pode ver em circunstâncias típicas - os resultados reais variam muito, mas este é um guia.
Observe a saída com um osciloscópio e você poderá ver, por exemplo, uma onda senoidal de 100 kHz de 100's de mV a alguns Volts de amplitude em uma saída nominal de 5VDC.

Dependendo dos parâmetros de feedback, você pode obter oscilação de baixa frequência, lento o suficiente para ver variações no medidor "DC" e pode parecer mais com sinais de MHz.
Eu esperaria:
(a) mudanças muito lentas sejam mais suscetíveis de serem de alta amplitude (pois sugere que o sistema está perseguindo sua cauda de tal maneira que está quase na regulação e que o feedback corretivo não está trazendo rapidamente e
(b) a oscilação no nível de MHz seja mais suscetível de ser menor que a amplitude usual, pois sugere que a taxa de giro do caminho de ganho é um fator importante na velocidade de resposta, mas tudo pode acontecer.

Além disso, como exatamente o ESR entra em jogo aqui?
Um transeunte ingênuo como eu esperaria que a resistência mais baixa da série fosse melhor.

O intuitivo e o lógico nem sempre correspondem.
Um regulador é essencialmente um amplificador de potência controlado por feedback.
Se o feedback for negativo no geral, o sistema é estável e a saída é DC.
Se o feedback do loop líquido for positivo, você obtém oscilação.
O feedback geral é descrito por uma função de transferência envolvendo os componentes envolvidos. Você pode observar a estabilidade do ponto de vista, por exemplo , dos critérios de estabilidade de Nyquist ou (relacionados) sem polos no meio plano direito e todos os polos dentro do círculo unitário ou ... agh !. É adequado dizer que o feedback da saída para a entrada não reforça a oscilação e que uma resistência muito grande ou muito pequena pode levar a um reforço geral quando considerado como parte do sistema geral.
Simples, útil .
Apenas um pouco mais complexo - bom
Sueful - troca de pilhas

Útil

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E uma nota final, você se referiu à tensão de ondulação na tampa ser grande (mesmo para pequenas correntes) como um problema inerente devido ao tamanho pequeno? (isto é, Vc = integral da corrente acima da capacitância?)

Eles dizem "... 0,3 ohm <= ESR <= 22 ohm ..."
Se você tem uma ESR de 10 Ohms, então cada mA de corrente de ondulação causará 10 mV de variação de tensão no capacitor. 10 mA de corrente de ondulação = 100 mV de variação de tensão e você ficaria muito infeliz com seu regulador. O regulador ativo pode trabalhar para reduzir essa ondulação, mas é bom não ter seu capacitor de filtro aumentando o problema que você deseja corrigir.

Encontrei uma referência interessante na folha de dados LM3940 da TI (A 5V a 3.3V LDO).

Os tântalo foram especificados porque o eletrolítico pode aumentar sua VHS até 30x em temperaturas muito baixas.
É possível conectar um pequeno tântalo em paralelo a um grande eletrolítico, se o custo for um problema.

LIMITES DE ESR: O ESR do capacitor de saída causará instabilidade de loop se estiver muito alto ou muito baixo. A faixa aceitável de ESR plotada versus corrente de carga é mostrada na Figura 19. É essencial que o capacitor de saída atenda a esses requisitos, ou podem resultar em oscilações.
Figura 19. Limites de ESR
É importante observar que, para a maioria dos capacitores, a ESR é especificada apenas à temperatura ambiente. No entanto, o projetista deve garantir que o ESR fique dentro dos limites mostrados em toda a faixa de temperatura operacional do projeto. Para capacitores eletrolíticos de alumínio, a ESR aumentará cerca de 30X à medida que a temperatura for reduzida de 25 ° C para -40 ° C. Este tipo de capacitor não é adequado para operação em baixa temperatura. Os capacitores de tântalo sólido têm uma ESR mais estável que a temperatura, mas são mais caros que os eletrolíticos de alumínio. Uma abordagem econômica, às vezes usada, é paralela a um eletrolítico de alumínio com um tântalo sólido, com a capacitância total dividida em cerca de 75/25%, sendo o alumínio o maior valor. Se dois capacitores são paralelos, a ESR efetiva é o paralelo dos dois valores individuais.

Os electolíticos têm um desempenho ruim de alta frequência em comparação com os tântalo. Atualmente, com o preço do tântalo, eu recomendaria o uso de um de seus eletrolíticos com um pequeno capacitor de cerâmica em paralelo - digamos 100nF. Depende do que você está ligando, mas geralmente não é tão crítico assim, a menos que a resposta transitória e transitória seja especialmente crítica para você.