Почему конденсатор до регулятора напряжения более эффективен, чем после?

У меня есть напряжение 5 В, поступающее от блока питания USB к стабилизатору напряжения LDO, который понижает его до 3,3 В. На линии 3,3 В у меня есть несколько микросхем и ИК- датчиков. Один из ИК-датчиков потребляет довольно мало тока короткими импульсами (у меня через него пробка 10 мкФ).

Всякий раз, когда этот энергосберегающий ИК-датчик включается, некоторые другие части моей схемы ведут себя странно в течение доли секунды. Я подумал, что добавление большого конденсатора к шине 3.3 В поможет устранить то, что он сделал. Но я также заметил, что вместо этого я мог бы добавить значительно меньший конденсатор на стороне 5 В, и это также решило проблему.

Почему конденсатор более эффективен на стороне входа регулятора, чем на выходе? Я подумал, что заряд будет «более доступным» для системы, если он будет на стороне выхода / 3,3 В, где находится датчик.

(Я просто работаю с электроникой, и у меня нет формальных знаний, кроме базовой физики E & M.)

* Редактировать: Перед проблемой / экспериментированием у меня уже было по обе стороны регулятора колпачок 0,1 мкФ, колпачок 1 мкФ и два колпачка 10 мкФ (всего 21,1 мкФ с каждой стороны). Я начал добавлять дополнительные заглавные буквы после проблемы.

Падение напряжения во время переходного процесса в точке использования примерно состоит из следующего:

1. индуктивность провода и источника перед регулятором. В случае типичной системы, в которой используется длинный и тонкий кабель электропитания, это обычно имеет большое значение, поскольку индуктивность кабеля высокая.

2. индуктивность провода / печатной платы после регулятора. Обычно это мало, если использование близко к регулятору, но может быть значительным, если в системе используется большая печатная плата или, возможно, более взаимосвязанные печатные платы.

3. Время отклика регулятора. Регулятор должен реагировать на два основных события: изменение входного напряжения, изменение выходной нагрузки. Эти параметры можно найти в его спецификации.

Во время переходного процесса на выходе регулятора происходит следующее:

1. напряжение на выходе конденсатора падает
2. контур управления регулятора определяет отклонение напряжения и пытается проводить больше. Это занимает время (время отклика регулирования нагрузки в техническом паспорте), и во время этого напряжение падает больше.
3. регулятор проводит больше и вытягивает больше тока из входного конденсатора.
4. разница в напряжении между крышкой и напряжением питания до того, как кабель вызывает ток, начинает течь через кабель, заполняя входной конденсатор. Это занимает много времени , потому что (грубо говоря) пределы индуктивности , насколько быстро ток может начать течет .

Если входной конденсатор не может удерживать достаточный заряд, пока он не будет заполнен источником, напряжение падает ниже минимально допустимого входного напряжения регулятора. Регулятор ничего не может сделать: выходное напряжение остается ниже номинального уровня, пока вход не достигнет минимального уровня.

Вытеснение регулятора из его проектного рабочего региона может иметь и другие серьезные недостатки. Если первоначально управление замкнутого контура открывается, устройство пропуска может насыщаться. Также возможно, что входного напряжения недостаточно для надежного питания внутренней схемы, и устройство может отключиться из-за функциональности блокировки пониженного напряжения или просто не работать должным образом. Время восстановления из этих ситуаций может быть намного больше, чем типичный отклик нагрузки при достаточном входном напряжении. Вам следует избегать этого.

Это может произойти, даже если выходной конденсатор большой. Напряжение на нем упадет, и регулятор обнаружит и попытается сохранить выходное напряжение и заполнить его обратно. Если крышка слишком большая, регулятор будет тянуть большой ток со стороны входа. Первая проблема заключается в том, что он исходит от входного конденсатора, поэтому даже если у вас большой колпачок на выходе, вышеописанная ситуация может возникнуть. Вторая проблема заключается в том, что возможно, что ток может быть достаточно высоким, чтобы активировать защиту от сверхтока, которая сама по себе замедляет реакцию, плюс восстановление после перегрузки по току может быть медленнее, чем время регулирования нагрузки.Вы должны держать регулятор в нормальных рабочих условиях для достижения наилучшей производительности.

Выходной конденсатор должен быть как можно меньшим, достаточным для преодоления времени, когда регулятор реагирует и компенсирует повышенную нагрузку. Грубо говоря, если вы увеличиваете выходной колпачок, вы просто ужесточаете работу регулятора.

Лучший реальный подход состоит в том, чтобы начать с достаточно большой заглушки на входной стороне и небольшой заглушки на выходной. Прочитайте таблицу данных для рекомендаций. Проверьте переходный процесс на выходной стороне с помощью осциллографа. Если оно неудовлетворительное, попробуйте увеличить выходную крышку или заменить ее на более низкую последовательную индуктивность. Затем проверьте переходный процесс на входе и попытайтесь уменьшить ограничение на входе. Сохраняйте запас прочности с обеих сторон.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Полное сопротивление провода / печатной платы после регулятора ...

... имеет тот же эффект, который упоминался ранее: во время переходных процессов, а также в случае непрерывной, но высокочастотной нагрузки, в точке использования будет скачок напряжения (или непрерывное падение). Если вы сравните сигнал с помощью осциллографа на выходе регулятора и в точке использования, вы увидите, что на регуляторе будет намного меньше шума.

Индуктивность провода / дорожки в сочетании с конденсатором на выходе регулятора является низкочастотным фильтром LC, эффективно демпфирующим высокочастотные компоненты.

Это хорошо , потому что шумовая нагрузка не искажает напряжение регулятора (слишком сильно). Вы можете подавать MCU или другие (аналоговые) схемы независимо от регулятора в топологии «звезда». Это эффективно уменьшит помехи. Если индуктивность дорожки недостаточно высока, вы можете намеренно включить индукторы в линию. Это часто можно увидеть в оборудовании, аналогичном вашему: мощные переходные нагрузки в сочетании с чувствительным аналоговым / цифровым управлением.

Высокий импеданс источника питания также является плохим , потому что вы хотите плавное питание для каждой нагрузки, но это можно исправить добавлением конденсаторов (с низким ESR) к каждой точке использования. Например, если вы посмотрите на материнскую плату для ПК, вы увидите сотни керамических колпачков повсюду именно по этой причине.

При наличии конденсатора на выходе, если входное напряжение упадет ниже того, что требуется для достижения регулирования выхода, произойдет выпадение питания, и выходной конденсатор будет падать.

При наличии конденсатора на входе регулятор всегда будет иметь запас напряжения, и если он удерживается выше минимального входного напряжения, регулирование выхода может поддерживаться даже без конденсатора (с несколько скомпрометированным высокочастотным сопротивлением).

С выпрямленным AC этот эффект был бы очень очевиден. С вашим напряжением 5 В он, по-видимому, указывает на гораздо меньшую способность тока, чем ваши датчики.

Попытайтесь взглянуть на волновые формы пульсации питания с помощью прицела. Подумайте о наличии специальных регуляторов, если бюджет и спецификации могут это оправдать. Это предотвратит воздействие датчика на другие части.

Потому что dQ = C * dV.

Если вы не используете регулятор на пределе своих возможностей, вы можете допустить большее значение dV на входном конденсаторе, что позволит уменьшить значение C.

Основная предпосылка вопроса недействительна и не универсально применима. Конечно, регуляторы (независимо от их разновидности) должны иметь достаточно плавную (отфильтрованную) необработанную мощность для работы. Мало кто из них будет работать на импульсном постоянном токе, составляющем типичный источник переменного тока и ступень выпрямителя. Именно здесь мы обычно видим большие «объемные» фильтрующие конденсаторы.

ОДНАКО, в некоторых случаях требуется большая емкость для поддержания шины питания при наличии больших прерывистых нагрузок, таких как приведенная в качестве примера в вопросе.

Это не вопрос «более эффективно до или после». Это два отдельных и независимых случая, которые не могут быть логически объединены, как в заданном вопросе.

Конденсатор на выходной стороне регулятора даже не начнет пытаться сделать что-нибудь полезное, пока не изменится выходное напряжение. Конденсатор на входной стороне начнет подавать ток, когда входное напряжение упадет. Типичный регулятор будет пытаться свести к минимуму степень, в которой изменения входного напряжения влияют на выход, поэтому падение входного напряжения, необходимое для того, чтобы конденсатор на входной стороне начал подавать энергию, обычно не вызывает какого-либо значительного изменения выходного напряжения.

В некоторых случаях регулятор может не иметь возможности мгновенно реагировать на внезапное потребление тока, и в таких случаях выходной конденсатор может быть полезен (если не требуется) для подачи некоторого тока на выход в течение времени, которое требуется регулятору для реакции на повышенную нагрузку. Выходная крышка не сможет подавать ток очень эффективно без заметного падения выходного напряжения, но она может подавать достаточно, чтобы дать регулятору время, чтобы отреагировать на возросший спрос.