Чому конденсатор перед регулятором напруги більш ефективний, ніж після?

У мене є 5 В, що надходять з банку живлення USB, до регулятора напруги LDO, який знижує його до 3,3 В. На лінії 3,3 В у мене є декілька ІС та ІЧ- датчиків. Один з ІЧ-датчиків споживає досить багато струму при коротких вибухах (у мене є 10 мкФ кришка поперек).

Кожного разу, коли ІЧ-датчик, що голодує на живлення, включається, це спричиняє, що деякі частини моєї ланцюга дивно поводяться за секунду. Я подумав, що додавання великого конденсатора до рейки 3,3 В допоможе усунути те, що він зробив. Але я також помітив, що замість цього можу додати значно менший конденсатор на стороні 5 В, і це також вирішило проблему.

Чому саме конденсатор є більш ефективним на вхідній стороні регулятора, а не на виході? Я вважав, що заряд буде "легше доступним" для системи, якби він був на стороні виходу / 3,3 В, де знаходиться датчик.

(Я просто займаюся електронікою і не маю жодних офіційних знань, що виходять за межі базової фізики E&M.)

* Редагувати: Перед проблемою / експериментацією я вже мав по обидва боки регулятора ковпачок 0,1uF, кришка 1uF та дві кришки 10uF (загалом 21,1uF з обох боків). Я почав додавати додаткові ковпачки після проблеми.

Падіння напруги під час перехідного періоду в точці використання приблизно складається з наступного:

1. індуктивність проводу і джерела перед регулятором. У випадку типової системи, яка використовує довгий і тонкий кабель живлення, це, як правило, важливо, оскільки індуктивність кабелю висока.

2. індуктивність доріжки провід / друкована плата після регулятора. Зазвичай це коротко, якщо використання знаходиться поруч з регулятором, але може бути значним, якщо система використовує велику друковану плату або, можливо, більше взаємопов’язані друковані плати.

3. час реакції регулятора. Є дві основні події, на які регулятор повинен відповідати: зміни вхідної напруги, зміни вихідного навантаження. Ці параметри можна знайти в її таблиці.

Під час перехідного періоду на виході регулятора відбувається таке:

1. напруга у вихідному конденсаторі падає
2. контур регулювання регулятора відчуває відхилення напруги і намагається провести більше. На це потрібен час (час реакції навантаження навантаження в таблиці), і під час цього напруга падає більше.
3. регулятор проводить більше і витягує більше струму з вхідного конденсатора.
4. різниця напруги між ковпачком і напругою живлення до кабелю призводить до того, що струм починає текти через кабель, що заповнює назад вхідний конденсатор. Це вимагає часу, оскільки (грубо кажучи) індуктивність обмежує те, наскільки швидко струм може почати текти .

Якщо вхідний конденсатор не може утримувати достатньо заряду, поки його не заповнить джерело, напруга опуститься нижче мінімально дозволеної напруги регулятора. Регулятор нічого не може зробити: вихідна напруга залишається нижче номінального рівня, поки вхід не досягне мінімального рівня.

Витіснення регулятора із проектуваної робочої області може мати й інші серйозні недоліки. Якщо початково закрите управління циклом відкриється, пристрій передачі може насититися. Можливо також, що вхідної напруги недостатньо для надійного живлення внутрішньої схеми, і пристрій може відключитися через функцію блокування блоку напруги або просто не працювати належним чином. Час відновлення з цих ситуацій може бути набагато довшим, ніж типова реакція на навантаження, коли є достатня вхідна напруга. Ви повинні уникати цього.

Це може статися, навіть якщо вихідний конденсатор великий. Напруга на ній знизиться, і регулятор відчує і намагається утримати вихідну напругу і наповнити її назад. Якщо кришка занадто велика, регулятор витягне високий струм з боку входу. Перша проблема полягає в тому, що він походить від вхідного конденсатора, тому навіть якщо у вас є велика кришка на виході, вищезазначена ситуація може статися. Друга проблема полягає в тому, що можливо, що струм може бути досить високим, щоб викликати захист від надмірного струму, який сам по собі сповільнює реакцію плюс відновлення з надструму може бути повільнішим, ніж час регулювання навантаження. Вам слід тримати регулятор у нормальних робочих умовах, щоб досягти найкращих показників.

Вихідний конденсатор повинен бути якомога меншим, достатньо, щоб зменшити час, коли регулятор відповідає і компенсує збільшене навантаження. Грубо кажучи, якщо збільшити вихідний ковпачок, ви просто посилить роботу регулятора.

Найкращий підхід у реальному світі - почати з достатньо великої кришки на вхідній стороні та маленької на вихідній стороні. Прочитайте таблицю даних щодо рекомендацій. Перевірте перехідний час на вихідній стороні за допомогою осцилографа. Якщо це не задовільно, спробуйте збільшити вихідний ковпачок або замінити його таким, який має нижчу індуктивність серії. Потім вивчіть перехідний на вході і спробуйте зменшити обмеження на вхід. Зберігайте деякий запас безпеки з обох сторін.

Редагувати:

Імпеданс доріжки проводів / друкованих плат після регулятора ...

... має той самий ефект, про який було сказано раніше: під час перехідних процесів або також у разі безперервного, але високочастотного навантаження в точці використання буде напруга (або постійне падіння). Якщо порівняти сигнал з осцилографом на виході регулятора і в точці використання, ви побачите, що на регуляторі буде набагато менший шум.

Індуктивність дроту / доріжки в поєднанні з конденсатором на виході регулятора являє собою фільтр низьких частот пропускання LC, який ефективно гасить ВЧ компоненти.

Це добре , тому що шумне навантаження не спотворює напругу регулятора (занадто сильно). Ви можете подавати MCU або інші (аналогові) схеми незалежно від регулятора в зірковій топології. Це ефективно зменшить перешкоди. Якщо індуктивність доріжки недостатньо висока, ви можете навмисно включити індуктори в лінію. Це часто можна побачити на обладнанні, схожому на ваше: перехідні навантаження великої потужності в поєднанні з чутливим аналоговим / цифровим управлінням.

Високий опір живлення також поганий , тому що ви хочете плавно живитись на кожному навантаженні, але це можна виправити, додаючи конденсатори (низький показник ESR) до кожної точки використання. Якщо ви, наприклад, оглянете материнську плату ПК, саме з цієї причини ви побачите сотні керамічних кришок.

З конденсатором на виході, якщо напруга на вході опуститься нижче того, що потрібно для досягнення регулювання виходу, відбудеться випадання в живлення, і вихідний конденсатор опуститься.

З конденсатором на вході регулятор завжди матиме запас напруги, і якщо він утримується вище мінімальної вхідної напруги, регулювання виходу можна підтримувати навіть без конденсатора (з дещо скомпрометованим імпедансом більш високої частоти).

При виправленому змінного струму цей ефект був би дуже очевидним. З вашим джерелом живлення 5 В це, здається, вказує на набагато меншу потужність, ніж потрібні датчики.

Спробуйте ознайомитись із сигналами пульсацій подачі із розмахом. Подумайте, чи є спеціальні регулятори, якщо бюджет і технічні умови можуть це виправдати. Це не дасть сенсору впливати на інші деталі.

Тому що dQ = C * dV.

Якщо ви не запускаєте регулятор прямо на його межі, ви можете терпіти більший дв на вхідному конденсаторі, дозволяючи менший С.

Основна передумова питання є недійсною та не застосовується повсюдно. Безумовно, регулятори (будь-якого сорту) повинні мати досить рівну (відфільтровану) сировину для роботи. Мало хто буде працювати на імпульсно-постійному струмі, виходячи з типового джерела змінного струму та випрямляча. Тут ми зазвичай бачимо великі «об'ємні» фільтри-конденсатори.

ТАКОЖ, є деякі випадки, коли потрібна велика ємність для утримування шини живлення при наявності великих переривчастих навантажень, таких як приклад, наведений у цьому питанні.

Це не питання "ефективнішого до або після". Це два окремі та незалежні випадки, і їх не можна логічно поєднувати, як у запитанні.

Конденсатор на вихідній стороні регулятора навіть не почне намагатися зробити щось корисне, якщо або до зміни вихідної напруги. Конденсатор на вхідній стороні почне подавати струм при падінні вхідної напруги. Типовий регулятор намагатиметься звести до мінімуму ступінь, коли зміни вхідної напруги впливають на вихід, тому падіння напруги на вході, необхідне для того, щоб конденсатор на стороні входу почав подавати енергію, як правило, не спричинить суттєвих змін вихідної напруги.

У деяких випадках регулятор може не в змозі негайно реагувати на раптовий струм, і в таких випадках конденсатор виходу може бути корисним (якщо не потрібно) для подачі деякого струму на вихід протягом часу, який регулятор потребує в реакції до підвищеного навантаження. Вихідний ковпак не зможе дуже ефективно живити струм без помітного падіння вихідної напруги, але він може бути в змозі подати достатньо, щоб дати регулятору час реагувати на підвищений попит.