Verständnisfrage: Parasitäre Induktivität bei Kondensatoren in getakteten Spannungswandlern

[David (simulant01)]

Hi!

Ich habe eine Verständnisfrage zu den Anforderungen an 
Ausgangskondensatoren für Schaltnetzteile. Im Anhang ist zur 
Orientierung das Schema eines Sperrwandlers angehängt 
(flyback_schema.png). Beim Sperrwandler ist es offenbar wichtig, dass 
der Kondensator C in diesem Schema
a) eine ausreichend hohe Kapazität besitzt, damit die Welligkeit der 
Ausgangsspannung aufgrund des periodischen Ladens / Entladens nicht zu 
groß wird und
b) einen ausreichend kleinen ESR besitzt, damit der ohmsche 
Spannungsabfall über dem Kondensator beim Laden und Endladen die 
Welligkeit der Ausgangsspannung nicht zu stark erhöht.

Jetzt haben Kondensatoren ja nicht nur einen parasitären Widerstand 
(ESR), sondern auch eine parasitäre Induktivität (ESL). Dies wird in [1] 
bzw. dem Screenshot (einfluss_esl_esr_step_down_converter.png) für einen 
Buck-Converter dargestellt. Die parasitäre Induktivität führt hier zu 
einem Spannungsabfall über dem Kondensator, der umso größer ist, je 
größer die Änderung des Stroms durch den Kondensator ist.

In Strom_Kondensator.png ist der Strom durch den Ausgangskondensator 
eines Sperrwandlers dargestellt (Quelle [2]). Der Stromverlauf ist hier 
für Critical Conduction Mode dargestellt, ist aber qualitativ auch 
ähnlich für Discontinuous und Continuous Conduction Mode. Man sieht 
hier, dass der Strom unstetig ist. Beim Schalten des Transistors kommt 
es zu einer sprunghaften Änderung des Stroms durch den Kondensator.

Frage 1: Müsste diese Unstetigkeit des Stroms nicht zu einer massiven 
Ausgangsspannungswelligkeit führen? Selbst wenn der ESL des Kondensators 
nur klein ist, sollte das definitiv eine Rolle spielen.

Frage 2: In vielen Application Notes wird insbesondere dem ESR des 
Ausgangskondensators eine hohe Bedeutung beigemessen. Der ESL wird aber 
nicht angesprochen. Warum?


[1]: https://techweb.rohm.com/trend/engineer/3027/
[2]: https://www.ti.com/lit/an/slyt800b/slyt800b.pdf?ts=1748458355897

[Peter K. (chips)]

weil der Einfluß der wenigen nH unwesentlich sind

[Torsten B. (butterbrotstern)]

> weil der Einfluß der wenigen nH unwesentlich sind
Gilt nur bei guten Kondensatoren mit lowESL. Normale Wickel können eine 
signifikant höhere Induktivität haben. Die Induktivität bildet mit den 
vorhandenen Kapazitäten Schwingkreise, die das Ringing hervorrufen. 
Daher schaltet man ja mehrere verschiedene C(-Sorten) parallel oder eine 
CLC-Filterkette dahinter. Bei guten Audio- oder Mess-Anwendungen auch 
einen Linearregler.
Nicht nur die Cs, auch alle anderen Bauteile (z.B. Koppelkapazität im 
Übertrager) haben parasitäre Eigenschaften, die zusammenwirken.
Ein Profi weiß das alles zu berücksichtigen.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

David schrieb:
> Frage 1: Müsste diese Unstetigkeit des Stroms nicht zu einer massiven
> Ausgangsspannungswelligkeit führen? Selbst wenn der ESL des Kondensators
> nur klein ist, sollte das definitiv eine Rolle spielen.

Tut es doch. Die unterste Kurve im 2. Bild zeigt ja eine größere 
Welligkeit der Ausgangsspannung. Die Skalierung der einzelnen Effekte 
(ESR, ESL) hängt natürlich von der Größe dieser parasitären Elemente ab.

> Frage 2: In vielen Application Notes wird insbesondere dem ESR des
> Ausgangskondensators eine hohe Bedeutung beigemessen. Der ESL wird aber
> nicht angesprochen. Warum?

Weil der ESR im Verkleich zur ESL idR. einen größeren Einfluß hat.

[Mark S. (voltwide)]

Gerade in Sperrwandlern mit kleinen Ausgangsspannungen ist ein möglichst 
induktionsarmer Sekundärkreis von hoher Prioriät. Die 
Sekundärinduktivität addiert sich über das Transformationsverhältnis zur 
primären Streuinduktivität und verschlechtert entsprechend den 
Wirkungsgrad. Das Leiterplattenlayout ist an dieser Stelle wirklich 
kritisch.
Kleines Zahlenbeispiel: Ein handelsüblicher 5V-Adapter mit 130V primärer 
Flybackspannung - daraus ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 
130/5 = 26:1. Mit nur 10nH Sekundärkreisinduktivität entsprechend 10mm 
Leitungslänge erhöht sich die primärseitige Streuinduktivität um 
26²*10nH=6,76uH.