Mengapa kapasitor sebelum regulator tegangan lebih efektif daripada setelahnya?

Saya memiliki 5 V yang masuk dari bank daya USB ke regulator tegangan LDO yang turun ke 3.3 V. Di jalur 3.3 V saya punya beberapa IC dan sensor IR . Salah satu sensor IR mengkonsumsi cukup banyak arus dalam ledakan singkat (saya memiliki 10 μF tutup di atasnya).

Setiap kali sensor IR haus daya menyala, itu menyebabkan beberapa bagian lain dari sirkuit saya berperilaku aneh selama sepersekian detik. Saya pikir menambahkan kapasitor besar ke 3,3 V rail akan membantu menghilangkan itu, yang ternyata. Tapi saya juga memperhatikan bahwa saya malah bisa menambahkan kapasitor yang jauh lebih kecil di sisi 5 V, dan itu juga menyelesaikan masalah.

Mengapa kapasitor lebih efektif di sisi input regulator daripada output? Saya pikir biaya akan "lebih mudah tersedia" ke sistem jika itu di sisi output / 3.3 V, di mana sensor berada.

(Saya hanya bermain-main dengan elektronik dan tidak memiliki pengetahuan formal selain fisika dasar E&M.)

* Sunting: Sebelum masalah / percobaan saya sudah punya di kedua sisi regulator tutup 0,1uF, tutup 1uF, dan dua tutup 10uF (total 21,1uF di kedua sisi). Saya mulai menambahkan topi ekstra setelah masalah.

Penurunan tegangan selama transien pada titik pemanfaatan secara kasar terdiri dari yang berikut ini:

1. induktansi kawat dan sumber sebelum regulator. Dalam hal sistem tipikal yang menggunakan kabel catu daya panjang dan tipis ini biasanya penting karena induktansi kabelnya tinggi.

2. Induktansi jalur kawat / PCB setelah regulator. Ini biasanya singkat jika pemanfaatannya dekat dengan regulator tetapi mungkin signifikan jika sistem menggunakan PCB besar atau mungkin lebih banyak PCB yang saling berhubungan.

3. waktu respon regulator. Ada dua peristiwa utama yang harus ditanggapi oleh regulator: variasi tegangan input, variasi beban keluaran. Parameter ini dapat ditemukan di lembar datanya.

Selama transien pada output regulator, hal berikut terjadi:

1. tegangan dalam kapasitor turun
2. loop kontrol regulator merasakan penyimpangan tegangan dan mencoba melakukan lebih banyak. Ini membutuhkan waktu (waktu respons pengaturan beban dalam lembar data), dan selama ini, tegangan turun lebih banyak.
3. regulator melakukan lebih banyak dan menarik lebih banyak arus dari kapasitor input.
4. perbedaan tegangan antara tutup dan tegangan suplai sebelum kabel menyebabkan arus mulai mengalir melalui kabel mengisi kembali kapasitor input. Ini membutuhkan waktu karena (secara kasar) induktansi membatasi seberapa cepat arus dapat mulai mengalir .

Jika kapasitor input tidak dapat menahan muatan yang cukup sampai diisi kembali oleh sumber, tegangan turun di bawah tegangan input minimum yang diizinkan regulator. Regulator tidak dapat melakukan apa-apa: tegangan output tetap di bawah level nominal hingga input mencapai level minimal.

Memaksa regulator keluar dari wilayah operasinya yang dirancang mungkin memiliki kelemahan serius lainnya. Jika kontrol loop tertutup awalnya terbuka, perangkat lulus mungkin jenuh. Dimungkinkan juga bahwa tegangan input tidak cukup untuk memberi daya pada sirkuit internal dan perangkat dapat dimatikan karena fungsi penguncian undervoltage atau tidak berfungsi dengan baik. Waktu pemulihan dari situasi ini mungkin jauh lebih lama daripada respons beban tipikal ketika ada tegangan input yang cukup. Anda harus menghindari hal ini terjadi.

Ini dapat terjadi bahkan jika kapasitor keluaran besar. Tegangan di atasnya akan turun, dan regulator merasakan dan mencoba untuk menjaga tegangan output dan mengisinya kembali. Jika tutupnya terlalu besar, regulator akan menarik arus tinggi dari sisi input. Masalah pertama adalah bahwa ia berasal dari kapasitor input sehingga bahkan jika Anda memiliki batasan besar pada output, situasi di atas dapat terjadi. Masalah kedua adalah bahwa ada kemungkinan bahwa arus mungkin cukup tinggi untuk memicu proteksi arus berlebih yang dengan sendirinya memperlambat respons plus pemulihan dari arus berlebih mungkin lebih lambat daripada waktu regulasi beban. Anda harus menjaga regulator dalam kondisi operasi normal untuk mencapai kinerja terbaik.

Kapasitor output harus sekecil mungkin, cukup untuk menjembatani waktu ketika regulator merespons dan mengkompensasi beban yang meningkat. Secara kasar, jika Anda meningkatkan tutup output, Anda hanya mengeraskan pekerjaan regulator.

Pendekatan dunia nyata terbaik adalah mulai dengan tutup yang cukup besar di sisi input dan yang kecil di sisi output. Baca lembar data untuk rekomendasi. Periksa transien di sisi keluaran dengan osiloskop. Jika tidak memuaskan, coba tambah tutup keluaran atau ganti dengan yang memiliki induktansi seri lebih rendah. Kemudian periksa transien pada input dan cobalah untuk mengurangi tutup input. Pertahankan jarak aman di kedua sisi.

EDIT:

Impedansi jalur kawat / PCB setelah pengatur ...

... memiliki efek yang sama seperti yang disebutkan sebelumnya: selama transien atau juga dalam kasus pemuatan frekuensi terus menerus tetapi tinggi, pada titik pemanfaatan akan ada takik tegangan (atau penurunan kontinu). Jika Anda membandingkan sinyal dengan osiloskop pada output regulator dan pada titik pemanfaatan, Anda akan melihat bahwa pada regulator akan ada noise yang jauh lebih kecil.

Induktansi dari kawat / jalur yang dikombinasikan dengan kapasitor pada keluaran regulator adalah filter low-pass LC, yang secara efektif mengurangi komponen HF.

Ini bagus , karena beban berisik tidak merusak tegangan regulator (terlalu banyak). Anda dapat memasok MCU atau sirkuit (analog) lainnya semua secara independen dari regulator dalam topologi bintang. Ini secara efektif akan mengurangi gangguan. Jika induktansi trek tidak cukup tinggi, Anda dapat dengan sengaja memasukkan induktor ke dalam saluran. Ini sering terlihat pada peralatan yang serupa dengan milik Anda: beban transien daya tinggi dikombinasikan dengan kontrol analog / digital yang sensitif.

Impedansi pasokan tinggi juga buruk , karena Anda ingin pasokan lancar pada setiap beban, tetapi ini dapat diperbaiki dengan menambahkan kapasitor (ESR rendah) ke setiap titik pemanfaatan. Jika Anda memeriksa motherboard PC misalnya, Anda akan melihat ratusan tutup keramik di mana-mana karena alasan itu.

Dengan kapasitor pada output, jika voltase input turun di bawah apa yang diperlukan untuk mencapai regulasi output, akan ada dropout dalam suplai, dan kapasitor output akan terkulai.

Dengan kapasitor pada input, regulator akan selalu memiliki cadangan tegangan, dan jika itu memegang di atas tegangan input minimum regulasi output dapat dipertahankan bahkan tanpa kapasitor (dengan impedansi frekuensi yang agak tinggi dikompromikan).

Dengan AC yang diperbaiki efek ini akan sangat jelas. Dengan suplai 5 V Anda, sepertinya ini menunjukkan kemampuan yang lebih sedikit daripada yang dibutuhkan sensor Anda.

Coba dan lihat gelombang pasokan gelombang dengan cakupan. Pertimbangkan memiliki regulator khusus jika anggaran dan spesifikasinya dapat membenarkannya. Ini akan mencegah sensor dari mempengaruhi bagian lain.

Karena dQ = C * dV.

Kecuali jika Anda menjalankan regulator tepat pada batasnya, Anda dapat mentolerir dV yang lebih besar pada kapasitor input, memungkinkan C. yang lebih kecil

Premis dasar dari pertanyaan tidak valid dan tidak berlaku secara universal. Tentu saja regulator (dari varietas apa pun) perlu memiliki tenaga mentah yang cukup halus (tersaring) untuk bekerja dengannya. Sedikit jika ada yang beroperasi pada DC berdenyut-comping dari sumber AC dan tahap penyearah khas. Di sinilah kita biasanya melihat kapasitor filter "massal" besar.

NAMUN, ada beberapa kasus di mana kapasitansi besar diperlukan untuk menahan bus catu daya di hadapan besar, beban terputus-putus seperti yang diberikan sebagai contoh dalam pertanyaan.

Ini bukan pertanyaan "lebih efektif sebelum atau sesudah". Itu adalah dua kasus terpisah dan independen dan tidak dapat digabungkan secara logis seperti dalam pertanyaan sebagaimana ditanyakan.

Kapasitor di sisi keluaran regulator bahkan tidak akan mulai mencoba melakukan sesuatu yang bermanfaat kecuali atau sampai tegangan output berubah. Kapasitor di sisi input akan mulai memasok arus saat tegangan input turun. Regulator tipikal akan mencoba untuk meminimalkan sejauh mana perubahan pada tegangan input mempengaruhi output, sehingga penurunan tegangan input yang diperlukan untuk membuat kapasitor sisi input mulai memasok energi biasanya tidak akan menyebabkan perubahan tegangan output yang signifikan.

Dalam beberapa kasus, regulator mungkin tidak dapat bereaksi secara instan terhadap permintaan arus tiba-tiba, dan dalam kasus seperti itu kapasitor output mungkin membantu (jika tidak diperlukan) untuk memasok arus ke output selama dibutuhkan regulator untuk bereaksi ke beban yang meningkat. Tutup output tidak akan dapat memberi makan arus dengan sangat efektif tanpa tegangan output menurun secara nyata, tetapi mungkin dapat memberi makan yang cukup untuk memberi regulator waktu untuk bereaksi terhadap peningkatan permintaan.