Cómo elegir el condensador de salida
El rizado es la parte fácil. La respuesta a transitorios y la estabilidad no.
- Lección 7 de 10
- Intermedio
La elección del condensador de salida se reduce a un número más veces que ninguna otra parte de un diseño conmutado. La hoja de características sugiere 22 µF, alguien monta 22 µF y la cuestión se da por cerrada.
Tres cosas hacen que eso no sea seguro. La capacidad que montaste no es la que tienes. El rizado no es el único requisito. Y en muchos reguladores el condensador de salida forma parte del lazo de control, así que cambiarlo cambia la estabilidad.
Respuesta rápida. El condensador de salida tiene tres trabajos: mantener el rizado dentro del presupuesto, alimentar la carga durante un transitorio antes de que responda el lazo, y cumplir lo que el controlador exija para la estabilidad. El rizado viene de la capacidad y de la ESR. Los cerámicos pierden buena parte de su valor con tensión continua aplicada, así que lo que cuenta es la capacidad efectiva. Algunos controladores necesitan una ESR mínima, y casi todos especifican un rango y no un valor.
El rizado tiene dos orígenes
El rizado de corriente de la bobina tiene que ir a alguna parte. La carga se lleva la media y el condensador absorbe la parte alterna. Eso produce rizado de tensión por dos mecanismos que se suman.
Por la capacidad. Entra y sale carga en cada ciclo, y una capacidad finita implica un cambio de tensión finito:
ΔV_C = ΔIL / (8 · fsw · C)
Por la ESR. Ese mismo rizado de corriente circulando por la resistencia serie equivalente produce tensión directamente:
ΔV_ESR = ΔIL × ESR
Con el ejemplo del curso, donde la lección 5 dio ΔIL = 0,5835 A a 500 kHz, y tomando un cerámico de 22 µF cuyo valor efectivo a la tensión de trabajo es de 12 µF:
ΔV_C = 0,5835 / (8 × 500 000 × 12 × 10⁻⁶) ΔV_C = 0,5835 / 48 ΔV_C = 12,2 mV
Con un cerámico de baja ESR, 3 mΩ:
ΔV_ESR = 0,5835 × 0,003 = 1,75 mV
Domina el término de capacidad y el rizado total ronda los 14 mV. Repite ahora con un electrolítico de 30 mΩ:
ΔV_ESR = 0,5835 × 0,030 = 17,5 mV
El término de ESR ya supera al de capacidad. La misma capacidad, el mismo rizado de corriente, un orden de magnitud más de rizado de tensión por culpa de un solo parámetro.
La regla práctica que sale de ahí: con cerámicos sueles estar limitado por capacidad, y con electrolíticos por ESR. Cuál de los dos términos domina te dice en qué parámetro merece la pena gastar.
La capacidad que no te llevaste
Un cerámico X5R de 22 µF en encapsulado pequeño puede medir cerca de 22 µF sin tensión encima, y bastante menos de la mitad a su tensión nominal. El dieléctrico pierde permitividad según sube el campo continuo que lo atraviesa.
Por eso las cuentas de arriba usaban 12 µF para una pieza de 22 µF. La reducción exacta depende del dieléctrico, del tamaño del encapsulado y de la tensión aplicada, y la única fuente fiable es la curva o la herramienta del fabricante para esa pieza concreta.
Tres costumbres que salen de ahí:
- Diseña con la capacidad efectiva a tu tensión de trabajo, no con el
valor impreso.
- Prefiere un encapsulado mayor o una tensión nominal más alta cuando
necesites que la capacidad sobreviva a la polarización. Una pieza de 25 V a 3,3 V conserva mucho más valor que una de 6,3 V a la misma tensión.
- Recuerda que los X5R y X7R también derivan con la temperatura y con el
envejecimiento. Si un margen importa, tiene que sobrevivir a los tres efectos.
El curso de integridad de alimentación resuelve ese mismo problema de caída al elegir el valor del condensador.
La respuesta a transitorios es el requisito difícil
El rizado es régimen permanente y suele ser fácil de cumplir. El caso exigente es un escalón de carga.
Cuando la carga pide de golpe más corriente, la bobina no puede cambiar la suya al instante. Durante el tiempo que tarda el lazo en responder y la corriente de la bobina en subir, la carga extra sale sólo del condensador de salida. La tensión cae aproximadamente la carga retirada dividida por la capacidad, más un escalón inmediato igual al cambio de corriente por la ESR.
Ese escalón de ESR es instantáneo y no lo quita ninguna cantidad de capacidad. Para un escalón de carga de 1 A sobre un condensador de 30 mΩ son 30 mV, que aparecen tan deprisa como cambie la carga.
Así que una especificación de transitorio suele condicionar la elección más que una de rizado, y la empuja hacia poca ESR y capacidad suficiente a la vez, que es por lo que varios cerámicos pequeños en paralelo suelen ganar a una pieza grande.
Dónde opina el controlador
En muchos reguladores el condensador de salida está dentro del lazo de realimentación, y su valor y su ESR ayudan a fijar la respuesta del lazo. Esto tiene dos consecuencias fáciles de pasar por alto.
Más capacidad no es automáticamente más estabilidad. Añadir capacidad de salida baja en frecuencia el polo del filtro de salida, lo que cambia la fase en el cruce. En algunos diseños eso mejora las cosas; en otros reduce el margen de fase y hace que la respuesta campanillee. La lección 10 explica el mecanismo.
Algunos controladores exigen una ESR mínima. Diseños antiguos en modo tensión y algunos en modo corriente se apoyan en el cero de la ESR para ser estables, y cambiar un electrolítico por un banco todo cerámico elimina ese cero y desestabiliza el lazo. El fallo aparece como una oscilación que no estaba con la pieza original.
Las dos cosas son motivos para leer los requisitos del propio controlador antes de elegir, y para tratar «la hoja dice de 22 µF a 47 µF» como la restricción real y no como una sugerencia. Cuando se da un rango, es un rango porque fuera de él la compensación del dispositivo ya no encaja.
Un orden de selección que funciona
- Lee el requisito del controlador: tipo, rango y cualquier condición de
ESR.
- Calcula el rizado por los dos mecanismos con tu rizado de corriente,
usando capacidad efectiva.
- Comprueba el requisito de transitorio, incluido el escalón instantáneo de
la ESR.
- Aplica la reducción por tensión continua, temperatura y envejecimiento.
- Elige la combinación, normalmente varias piezas en paralelo, que cumpla
todo lo anterior con la menor inductancia total hasta la carga.
El paso 1 va primero porque puede invalidar todo lo que viene detrás.
Lo que viene después
La lección 8 se ocupa del nodo que decide si toda esta regulación funciona de verdad: el divisor de feedback, que es silencioso, de alta impedancia y está al lado del nodo más ruidoso de la tarjeta.
Fuentes y lecturas recomendadas
- Texas Instruments: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage (SLVA477) — informe de aplicación, rizado de salida por capacidad y por ESR.
- Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, rango de condensador de salida y su relación con la compensación.
- Analog Devices: Buck Power Stage Design Equations — nota de aplicación, comportamiento del condensador de salida en la etapa de potencia.
- Texas Instruments: Control Loop Cookbook (SLUP113) — ponencia, cómo interactúa el filtro de salida con el lazo de control.
- Murata: características de polarización continua en condensadores cerámicos — FAQ del fabricante, por qué la capacidad efectiva cae con la tensión continua aplicada.
- onsemi: LC Selection Guide for the DC-DC Synchronous Buck Converter (AND9135) — nota de aplicación, elección del condensador de salida frente a rizado y transitorio.