Design-Tipp Kondensatorauswahl für Schaltnetzteile leicht gemacht

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Nahezu der gesamte Wechselstromanteil, der durch die Schaltvorgänge in einem Schaltnetzteil entsteht, wird in den Ein- und Ausgangskondensatoren geführt. Rippelstrom und Impedanz sind daher wesentliche Auswahlkriterien für den Kondensator. Teil 1 dieser Serie nimmt den Rippelstrom genauer unter die Lupe.

Die Ein- und Ausgangskondensatoren von Schaltnetzteilen sind neben den Induktivitäten und den Leistungsschaltern essentielle Bauteile, die das Verhalten von Schaltnetzteilen maßgeblich bestimmen und dementsprechend sorgfältig dimensioniert werden sollten.

Nahezu der gesamte Wechselstromanteil, der durch die Schaltvorgänge in einem Schaltnetzteil entsteht, wird in den Ein-/Ausgangskondensatoren geführt. Dieser Umstand ist durch die Impedanzverhältnisse im Gesamtsystem (Netz-Schaltnetzteil-Last) bedingt. Der Wechselstrom, der durch einen Kondensator fließt, wird auch als Rippelstrom bezeichnet. Folglich stellen Rippelstrom und Impedanz die beiden wesentlichen Auswahlkriterien für einen Kondensator in einem Schaltnetzteil dar.

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Der Rippelstrom eines Kondensators

Der für die Lebensdauer eines Kondensators zulässige Rippelstrom ist im Datenblatt in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur definiert. Diese Angabe basiert auf dem maximal zulässigen internen Temperaturanstieg, der zur Alterung (Kapazitätsverlust, ESR-Zunahme) des Kondensators führt. Dieser Temperaturanstieg entsteht durch die Wärmeleistung, welche der Effektivstrom des Kondensators am Ersatz-Serien-Widerstand (ESR) erzeugt.

Je nach Topologie des Schaltnetzteils und der Position des Kondensators unterscheidet sich der zeitliche Stromverlauf (Bild 1) und somit die Berechnungsvorschrift für den Effektivstrom. Eine Beispielrechnung zeigt Bild 2.

Mit Hilfe des Tools REDEXPERT können Sie einen Kondensator auswählen, der den Applikationsanforderungen hinsichtlich des Rippelstroms und der Spannung (>12 V Nennspannung) genügt. Zusätzlich lässt sich der Kondensator so wählen, dass er bei der Schaltfrequenz von 500 kHz eine möglichst niedrige Impedanz aufweist.

Der Aluminium-Polymer-Kondensator WCAP-PSLP 33µF/16V (875105359004) ist mit einem zulässigen Rippelstrom von 2,2 A und einer Impedanz von 11,5 mΩ bei 500 kHz eine exzellente Wahl. Der spezifizierte Rippelstrom übersteigt mit 2,2 A deutlich den in der Applikation auftretenden Strom von 0,46 A, wodurch die Eigenerwärmung des Kondensators gering bleibt. Daraus resultiert, dass die vorherrschende Betriebstemperatur, die Einfluss auf die Lebensdauer hat, und sich aus der Eigenerwärmung und der Umgebungstemperatur in der Applikation ergibt, deutlich niedriger ausfällt, als die spezifizierte Temperatur, auf der die definierte Lebensdauer des Kondensators basiert.

So ergibt die Lebensdauerberechnung in REDEXPERT für eine Betriebstemperatur von 70°C eine zu erwartende Lebensdauer von 12,8 Jahren. Dieser Wert liegt bereits sehr nah an der typischen maximal zu erwartenden Lebensdauer von 13 Jahren. Die Lebensdauer dieses Kondensators wird daher optimal ausgenutzt.

Bild 3 zeigt den Impedanzverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz: Der Aluminium-Polymer-Kondensator WCAP-PSLP (875105359004) weist bei der Schaltfrequenz von 500 kHz ein Impedanz-Minimum von 11,5 mΩ auf. Somit wird gewährleistet, dass der auftretende Rippelstrom nur eine geringe Rippelspannung erzeugt.

In der Applikationsschrift ANP109 wird genauer darauf eingegangen, wie sich das Impedanzspektrum eines Kondensators zusammensetzt und welche Unterschiede durch die Kondensatortechnologie ergeben.

Welchen Einfluss die Eingangskondensatorimpedanz auf die leitungsgeführten Störungen des exemplarischen Wandlers bei genauerer Betrachtung hat, erfahren Sie im zweiten Teil dieses Artikels. (kr)

* Markus Thoss ist Applikationsingenieur bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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