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 пропадания 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
Автор:
Hlad
