Power-Tipp Keramikkondensatoren am Eingang von Schaltreglern

Bei Stromversorgungen haben sich im niedrigen Spannungsbereich bis 50 V Keramikkondensatoren als Energiespeicher in vielen Anwendungen durchgesetzt. Vor einigen Jahren haben sie sich auch als Eingangskondensatoren etabliert. Wir zeigen, was man beachten sollte.

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Besonders große Kapazitätswerte sind mittlerweile auch preislich interessant. Bei kleinen Schaltreglern im DC/DC-Wandler-Bereich werden Keramikkondensatoren seit vielen Jahren bevorzugt als Ausgangskondensatoren verwendet. Für die Welligkeit der Ausgangsspannung ist der Kondensatorwert sowie der Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR) entscheidend. Gleichung 1 gilt bei Abwärtswandlern im nicht lückenden Betrieb (Continuous Current Mode, CCM).

Nebenbei hat noch die Schaltfrequenz F sowie die Spulenstromwelligkeit einen Einfluss auf die Ausgangsspannungswelligkeit. Je größer der Kondensatorwert C_out und je kleiner der Serienwiderstand eines Kondensators sind, desto geringer die Ausgangsspannungswelligkeit. Bild 1 zeigt eine DC/DC-Wandlerschaltung, welche im Labor getestet wird.

Vor einigen Jahren haben sich Keramikkondensatoren auch als Eingangskondensatoren etabliert. Dabei ist jedoch eine Besonderheit zu beachten: Durch den sehr geringen Serienwiderstand im Milliohm-Bereich gibt es beim Laden des Kondensators nur eine sehr geringe Dämpfung. Wenn also eine Schaltung wie in Bild 1 dargestellt mit einer Anschlussleitung im Labor an ein laufendes Labornetzteil mit anliegender Spannung eingesteckt wird, entsteht ein Stromfluss vom Labornetzteil in den keramischen Eingangskondensator.

Bei den dargestellten Induktivitäten in Bild 1 handelt es sich um die parasitäre Induktivität der Versorgungsleitungen. Das Einstecken ist mit zwei Schaltern symbolisiert. Der resultierende Strom steigt schnell an, da der vorher ungeladene Kondensator eine geringe Spannung führt und als Stromanstiegsbegrenzung nur die Induktivität der Anschlussleitung sowie die maximale Stromanstiegsfähigkeit des Labornetzteils dient. Die Spannung am keramischen Eingangskondensator steigt an und hat nach einer gewissen Zeit ihren Sollwert erreicht. Das ist dieselbe Spannung wie am Labornetzteil eingestellt ist.

Zu diesem Zeitpunkt kann der Stromfluss jedoch nicht schlagartig anhalten, da die Induktivität der Anschlussleitung nur einen zeitlich begrenzten Stromfluss zulässt. Die in der Leitungsinduktivität gespeicherte Energie muss also irgendwo hin. Deshalb wird der Eingangskondensator weiter geladen bis die Energie, die in der Eingangsleitung gespeichert war, entladen ist.

Bild 2 zeigt das Ergebnis eines Versuches mit einer ca. 500 mm langen Anschlussleitung und einem typischen keramischen Eingangskondensator mit einer Kapazität von 4,7 µF.

Die Anschlussleitung wird in ein auf 20 V eingestelltes Labornetzteil per Hand eingesteckt. Es ist zu erkennen, dass der Kondensator eine Spannungsspitze von ca. 34 V zeigt, bevor sich die Spannung auf 20 V einpendelt. Wäre der Kondensator nur für eine maximale Spannung von 25 V ausgelegt, oder hätte der DC/DC-Wandler nur einen maximalen Eingangsspannungsbereich von 20 V, würde die Schaltung Schaden nehmen oder gar zerstört werden.

Dieser Effekt tritt bei Eingangskondensatoren mit sehr geringem Serienwiderstand wie beispielsweise keramischen Kondensatoren auf. Durch den geringen Serienwiderstand steigt der Strom durch die Versorgungsleitung sehr schnell an und in der Anschlussleitung wird eine hohe Energie gespeichert.

Bei Elektrolyt-Kondensatoren, die früher üblicherweise als Eingangskondensatoren verwendet wurden, dämpft der hohe Serienwiderstand, sodass keine bemerkenswerten Spannungsüberschwinger am Eingang des DC/DC-Wandlers entstehen.

Bei keramischen Eingangskondensatoren kann das Labornetzteil auf eine niedrige Spannung gestellt werden und die Versorgungsleitung zum DC/DC-Wandler eingesteckt werden. Danach sollte die Spannung langsam nach oben geregelt werden. Dadurch werden die hohen Ladeströme für den Eingangskondensator reduziert.

Das ‚von Hand‘ Einstecken einer Versorgungsleitung ist wohl eher ein Problem bei der Laborarbeit und weniger ein Problem von entwickelter Elektronik im Markt. Dennoch kann auch ein Gerät beim Kunden ein ähnliches Verhalten zeigen. Beispielsweise kann eine Batterie an ein Gerät angeklemmt werden. Die Versorgungsleiterbahn für den DC/DC-Wandler könnte dann ebenfalls bei Keramikkondensatoren eine erhebliche Spannungsspitze verursachen. Als Abhilfe bietet sich die Verwendung eines kleinen Dämpfungswiderstandes zum Ausgleich des niedrigen Serienwiderstands der Eingangskapazität an.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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