Perché un condensatore prima di un regolatore di tensione è più efficace di dopo?

Ho 5 V che arrivano da una banca di alimentazione USB a un regolatore di tensione LDO che scende a 3,3 V. Sulla linea 3,3 V ho diversi circuiti integrati e sensori IR . Uno dei sensori IR consuma un bel po 'di corrente in raffiche brevi (ho un tappo da 10 µF su di esso).

Ogni volta che quel sensore IR affamato di energia si accende, fa sì che alcune altre parti del mio circuito si comportino in modo strano per una frazione di secondo. Ho pensato che l'aggiunta di un grande condensatore alla guida da 3,3 V avrebbe contribuito a eliminare ciò, cosa che ha fatto. Ma ho anche notato che avrei potuto invece aggiungere un condensatore significativamente più piccolo sul lato 5 V, e questo ha anche risolto il problema.

Perché il condensatore è più efficace sul lato di ingresso del regolatore piuttosto che sull'uscita? Ho pensato che la carica sarebbe "più facilmente disponibile" per il sistema se fosse sul lato uscita / 3.3 V, dove si trova il sensore.

(Ho appena armeggiato con l'elettronica e non ho conoscenze formali oltre alla fisica di base E&M.)

* Modifica: prima del problema / sperimentazione avevo già su entrambi i lati del regolatore un tappo 0.1uF, un tappo 1uF e due tappi 10uF (per un totale di 21.1uF su entrambi i lati). Ho iniziato ad aggiungere tappi extra dopo il problema.

La caduta di tensione durante un transitorio nel punto di utilizzo è approssimativamente composta da quanto segue:

1. induttanza del filo e della sorgente prima del regolatore. Nel caso di un sistema tipico che utilizza un cavo di alimentazione lungo e sottile, ciò è generalmente significativo poiché l'induttanza del cavo è elevata.

2. induttanza della traccia filo / PCB dopo il regolatore. Questo di solito è breve se l'utilizzo è vicino al regolatore, ma può essere significativo se il sistema utilizza un PCB grande o forse più PCB interconnessi.

3. tempo di risposta del regolatore. Esistono due eventi principali a cui il regolatore dovrebbe rispondere: variazioni della tensione di ingresso, variazioni del carico di uscita. Questi parametri sono disponibili nel relativo foglio dati.

Durante un transitorio all'uscita del regolatore, si verifica quanto segue:

1. la tensione nel condensatore di uscita diminuisce
2. il circuito di controllo del regolatore rileva la deviazione della tensione e cerca di condurre di più. Ciò richiede tempo (il tempo di risposta della regolazione del carico nel foglio dati) e durante questo la tensione scende di più.
3. il regolatore conduce di più e tira più corrente dal condensatore di ingresso.
4. la differenza di tensione tra il cappuccio e la tensione di alimentazione prima del cavo fa sì che la corrente inizi a fluire attraverso il cavo riempiendo nuovamente il condensatore di ingresso. Ciò richiede tempo perché (in termini approssimativi) l'induttanza limita la velocità con cui la corrente può iniziare a fluire .

Se il condensatore di ingresso non è in grado di trattenere una carica sufficiente fino a quando non viene riempito dalla sorgente, la tensione scende al di sotto della tensione di ingresso minima consentita dal regolatore. Il regolatore non può fare nulla: la tensione di uscita rimane al di sotto del livello nominale fino a quando l'ingresso raggiunge il livello minimo.

Forzare il regolatore fuori dalla sua regione operativa progettata può presentare altri gravi inconvenienti. Se si apre il controllo a circuito chiuso originariamente, il dispositivo di passaggio potrebbe saturare. È anche possibile che la tensione di ingresso non sia sufficiente per alimentare in modo affidabile i circuiti interni e il dispositivo potrebbe spegnersi a causa della funzionalità di blocco della sottotensione o semplicemente non funzionare correttamente. Il tempo di recupero da queste situazioni può essere molto più lungo della risposta di carico tipica quando c'è una tensione di ingresso sufficiente. Dovresti evitare che ciò accada.

Ciò può verificarsi anche se il condensatore di uscita è grande. La tensione attraverso di essa diminuirà e il regolatore rileverà e cercherà di mantenere la tensione di uscita e riempirla nuovamente. Se il cappuccio è troppo grande, il regolatore assorbirà corrente elevata dal lato di ingresso. Il primo problema è che proviene dal condensatore di ingresso, quindi anche se si dispone di un grande cappuccio in uscita può verificarsi la situazione sopra. Il secondo problema è che è possibile che la corrente sia sufficientemente elevata da innescare la protezione da sovracorrente che di per sé rallenta la risposta e il recupero da sovracorrente può essere più lento del tempo di regolazione del carico. È necessario mantenere il regolatore in condizioni operative normali per ottenere le migliori prestazioni.

Il condensatore di uscita dovrebbe essere il più piccolo possibile, quanto basta per colmare il tempo in cui il regolatore risponde e compensa l'aumento del carico. In parole povere, se si aumenta il limite di uscita, si sta solo indurendo il lavoro del regolatore.

L'approccio migliore nel mondo reale è iniziare con un cappuccio sufficientemente grande sul lato input e uno piccolo sul lato output. Leggi la scheda tecnica per consigli. Controllare il transiente sul lato di uscita con un oscilloscopio. Se non è soddisfacente, provare ad aumentare il cappuccio di uscita o a sostituirlo con uno che ha un'induttanza in serie inferiore. Quindi esaminare il transitorio all'ingresso e provare a ridurre il cappuccio di ingresso. Mantenere un margine di sicurezza su entrambi i lati.

MODIFICARE:

L'impedenza della traccia filo / PCB dopo il regolatore ...

... ha lo stesso effetto menzionato prima: durante i transitori o anche in caso di carico continuo ma ad alta frequenza, nel punto di utilizzo ci sarà una tacca di tensione (o caduta continua). Se si confronta il segnale con un oscilloscopio all'uscita del regolatore e nel punto di utilizzo, si noterà che al regolatore ci sarà un rumore molto più piccolo.

L'induttanza del filo / binario combinata con il condensatore all'uscita del regolatore è un filtro passa-basso LC, che smorza efficacemente i componenti HF.

Questo è buono , perché il carico rumoroso non distorce la tensione del regolatore (troppo). È possibile fornire l'MCU o altri circuiti (analogici) tutti indipendentemente dal regolatore in una topologia a stella. Ciò ridurrà efficacemente l'interferenza. Se l'induttanza della traccia non è abbastanza elevata, è possibile includere deliberatamente gli induttori nella linea. Questo può essere visto spesso in apparecchiature simili alle vostre: carichi transitori ad alta potenza combinati con controllo analogico / digitale sensibile.

Anche un'alta impedenza di alimentazione è negativa , perché si desidera un'alimentazione regolare su ogni carico, ma questo può essere risolto con l'aggiunta di condensatori (basso ESR) a ogni punto di utilizzo. Ad esempio, se esamini una scheda madre per PC, vedrai centinaia di tappi in ceramica ovunque.

Con un condensatore sull'uscita, se la tensione di ingresso scende al di sotto di quanto necessario per ottenere la regolazione dell'uscita, si verificherà un calo dell'alimentazione e il condensatore di uscita si abbasserà.

Con un condensatore sull'ingresso, il regolatore avrà sempre una riserva di tensione, e se mantiene al di sopra della tensione di ingresso minima, la regolazione dell'uscita può essere mantenuta anche senza condensatore (con impedenza di frequenza leggermente superiore compromessa).

Con AC rettificato questo effetto sarebbe molto evidente. Con la tua alimentazione a 5 V sembra puntare verso una capacità di corrente piuttosto inferiore rispetto ai tuoi sensori.

Prova a dare un'occhiata alle forme d'onda dell'ondulazione di alimentazione con un ambito. Prendi in considerazione la possibilità di disporre di regolatori dedicati se il budget e le specifiche possono giustificarlo. Ciò eviterà che un sensore influisca sulle altre parti.

Perché dQ = C * dV.

A meno che non si stia eseguendo il regolatore proprio sui suoi limiti, è possibile tollerare un dV più grande sul condensatore di ingresso, consentendo un C. più piccolo

La premessa di base della domanda non è valida e non è universalmente applicabile. Certamente i regolatori (di qualsiasi varietà) devono avere una potenza grezza ragionevolmente liscia (filtrata) con cui lavorare. Pochissimi funzioneranno sul CC impulsato in uscita da una tipica sorgente CA e da uno stadio raddrizzatore. Qui è dove normalmente vediamo i grandi condensatori di filtri "sfusi".

TUTTAVIA, ci sono alcuni casi in cui è richiesta una grande capacità per sostenere il bus di alimentazione in presenza di grandi carichi intermittenti come quello indicato come esempio nella domanda.

Non si tratta di "più efficace prima o dopo". Questi sono due casi separati e indipendenti e non possono essere logicamente combinati come nella domanda posta.

Un condensatore sul lato di uscita di un regolatore non inizierà nemmeno a provare a fare qualcosa di utile a meno che o fino a quando la tensione di uscita non cambia. Un condensatore sul lato di ingresso inizierà a fornire corrente quando la tensione di ingresso diminuisce. Un regolatore tipico cercherà di ridurre al minimo la misura in cui le variazioni della tensione di ingresso influiscono sull'uscita, quindi la caduta di tensione di ingresso necessaria per far sì che il condensatore sul lato di ingresso inizi a fornire energia in genere non causerà alcuna variazione significativa della tensione di uscita.

In alcuni casi, un regolatore potrebbe non essere in grado di reagire istantaneamente a un'improvvisa richiesta di corrente, e in questi casi un condensatore di uscita può essere utile (se non richiesto) per fornire corrente all'uscita durante il tempo impiegato dal regolatore per reagire ad un carico maggiore. Il cappuccio di uscita non sarà in grado di alimentare la corrente in modo molto efficace senza che la tensione di uscita diminuisca sensibilmente, ma potrebbe essere in grado di alimentare abbastanza da dare al regolatore il tempo di reagire all'aumento della domanda.