Por que um capacitor antes de um regulador de tensão é mais eficaz do que depois?

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Tenho 5 V vindo de um banco de potência USB para um regulador de tensão LDO que cai para 3,3 V. Na linha de 3,3 V, tenho vários CIs e sensores IR . Um dos sensores de infravermelho consome bastante corrente em rajadas curtas (eu tenho uma tampa de 10 µF).

Sempre que esse sensor de infravermelho com fome de energia é ativado, algumas outras partes do meu circuito se comportam estranhamente por uma fração de segundo. Imaginei que adicionar um capacitor grande ao trilho de 3,3 V ajudaria a eliminar o que ele fez. Mas também notei que, em vez disso, podia adicionar um capacitor significativamente menor no lado de 5 V, o que também resolveu o problema.

Por que o capacitor é mais eficaz no lado de entrada do regulador do que na saída? Imaginei que a carga estaria "mais prontamente disponível" para o sistema se estivesse no lado de saída / 3,3 V, onde está o sensor.

(Eu apenas mexo em eletrônica e não tenho conhecimento formal além da física básica de E&M.)

* Edit: Antes do problema / experimentação, eu já tinha em ambos os lados do regulador uma tampa de 0,1uF, uma tampa de 1uF e duas tampas de 10uF (totalizando 21,1uF em ambos os lados). Comecei a adicionar tampas extras após o problema.

Roger
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Antes da sua experimentação, você tinha limites na entrada e na saída do LDO?
precisa saber é o seguinte
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A maioria (senão 99,9% dos reguladores) precisa de ambos, quando você não se encaixava em um ou ambos, era mais provável que não seguisse as recomendações na folha de dados. Quando você não se encaixa nos dois, está pedindo problemas.
Andy aka

Respostas:

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A queda de tensão durante um transitório no ponto de utilização é composta basicamente pelo seguinte:

  1. indutância do fio e da fonte antes do regulador. No caso de um sistema típico que usa cabo de alimentação longo e fino, isso geralmente é significativo porque a indutância do cabo é alta.

  2. indutância da faixa de fio / PCB após o regulador. Isso geralmente é curto se a utilização estiver próxima ao regulador, mas pode ser significativo se o sistema usar um PCB grande ou talvez mais PCBs interconectados.

  3. tempo de resposta do regulador. Existem dois eventos principais aos quais o regulador deve responder: variações de tensão de entrada, variações de carga de saída. Esses parâmetros podem ser encontrados em sua folha de dados.

Durante um transitório na saída do regulador, acontece o seguinte:

  1. a tensão no capacitor de saída cai
  2. o circuito de controle do regulador detecta o desvio de tensão e tenta conduzir mais. Isso leva tempo (o tempo de resposta da regulação de carga na folha de dados) e, durante isso, a tensão cai mais.
  3. o regulador conduz mais e extrai mais corrente do capacitor de entrada.
  4. a diferença de tensão entre a tampa e a tensão de alimentação antes do cabo faz com que a corrente comece a fluir através do cabo, preenchendo o capacitor de entrada. Isso leva tempo porque (grosso modo) a indutância limita a rapidez com que a corrente pode começar a fluir .

Se o capacitor de entrada não puder suportar carga suficiente até ser reabastecido pela fonte, a tensão cai abaixo da tensão de entrada mínima permitida pelo regulador. O regulador não pode fazer nada: a tensão de saída permanece abaixo do nível nominal até que a entrada atinja o nível mínimo.

Forçar o regulador para fora de sua região operacional projetada pode ter outras desvantagens sérias. Se o controle de malha fechada originalmente for aberto, o dispositivo de aprovação poderá saturar. Também é possível que a tensão de entrada não seja suficiente para alimentar com segurança o circuito interno e o dispositivo possa desligar devido à funcionalidade de bloqueio de subtensão ou simplesmente não funcionar corretamente. O tempo de recuperação dessas situações pode ser muito maior do que a resposta de carga típica quando houver tensão de entrada suficiente. Você deve evitar que isso aconteça.

Isso pode ocorrer mesmo se o capacitor de saída for grande. A tensão através dele cairá, e o regulador detecta e tenta manter a tensão de saída e preenchê-la novamente. Se a tampa for muito grande, o regulador puxará alta corrente do lado da entrada. O primeiro problema é que ele vem do capacitor de entrada e, mesmo que você tenha uma tampa grande na saída, a situação acima pode ocorrer. O segundo problema é que é possível que a corrente seja alta o suficiente para acionar a proteção de sobrecorrente, que por si só diminui a resposta e a recuperação da sobrecorrente pode ser mais lenta que o tempo de regulação da carga. Você deve manter o regulador em condições operacionais normais para obter o melhor desempenho.

O capacitor de saída deve ser o menor possível, apenas o suficiente para diminuir o tempo em que o regulador responde e compensa o aumento da carga. Grosso modo, se você aumentar o limite de saída, apenas reforça o trabalho do regulador.

A melhor abordagem do mundo real é começar com um limite suficientemente grande no lado da entrada e um limite pequeno no lado da saída. Leia a folha de dados para recomendações. Verifique o transitório no lado de saída com um osciloscópio. Se não for satisfatório, tente aumentar o limite de saída ou substituí-lo por um que tenha uma indutância de série mais baixa. Em seguida, examine o transitório na entrada e tente reduzir o limite de entrada. Mantenha alguma margem de segurança em ambos os lados.

EDITAR:

A impedância da trilha do fio / PCB após o regulador ...

... tem o mesmo efeito mencionado anteriormente: durante transientes ou também em caso de carregamento contínuo, mas de alta frequência, no ponto de utilização haverá um entalhe de tensão (ou queda contínua). Se você comparar o sinal com um osciloscópio na saída do regulador e no ponto de utilização, verá que no regulador haverá um ruído muito menor.

A indutância do fio / faixa combinada com o capacitor na saída do regulador é um filtro passa-baixas LC, amortecendo efetivamente os componentes de alta frequência.

Isso é bom , porque a carga barulhenta não distorce a tensão do regulador (muito). Você pode fornecer o MCU ou outros circuitos (analógicos) independentemente do regulador em uma topologia em estrela. Isso reduzirá efetivamente a interferência. Se a indutância da pista não for alta o suficiente, você poderá incluir deliberadamente indutores na linha. Isso pode ser visto frequentemente em equipamentos semelhantes ao seu: cargas transitórias de alta potência combinadas com controle analógico / digital sensível.

A alta impedância de alimentação também é ruim , porque você deseja uma alimentação suave a cada carga, mas isso pode ser corrigido com a adição de capacitores (baixo ESR) a cada ponto de utilização. Se você examinar uma placa-mãe para PC, por exemplo, verá centenas de tampas de cerâmica em todos os lugares por esse mesmo motivo.

Gábor Móczik
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+1: excelente explicação da mecânica da regulação de tensão!
Lorenzo Donati apóia Monica
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Com um capacitor na saída, se a tensão de entrada cair abaixo do necessário para obter a regulação da saída, haverá uma queda na fonte e o capacitor de saída cairá.

Com um capacitor na entrada, o regulador sempre terá uma reserva de tensão e, se mantiver acima da tensão mínima de entrada, o regulamento de saída poderá ser mantido mesmo sem capacitor (com impedância de frequência mais alta comprometida).

Com a CA retificada, esse efeito seria muito evidente. Com seu fornecimento de 5 V, parece apontar para uma capacidade de corrente bastante menor do que os seus sensores precisam.

Experimente e veja as formas de onda onduladas de fornecimento com um escopo. Considere ter reguladores dedicados se o orçamento e as especificações puderem justificá-lo. Isso impedirá que um sensor afete as outras partes.

KalleMP
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Porque dQ = C * dV.

A menos que você esteja executando o regulador nos limites, você pode tolerar uma dV maior no capacitor de entrada, permitindo um menor C.

Brian Drummond
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Isso não explica um tamanho significativamente menor, uma vez que a tensão varia apenas de 5 a 3,3 volts. Obviamente, ninguém sabe o que é um capacitor significativamente menor.
pipe
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@ Pipe: faz. Entrada 5V a 3.3V: dV = 1.7V. Saída de 3.3V a provavelmente 3.0V (ou o que a folha de dados indicar como Vddmin): dV = 0.3V. Alguma variabilidade, dependendo da tensão de queda do LDO, mas cerca de 5: 1 de mudança é uma diferença significativa .
9788 Brian Drummond #
Provavelmente valeria a pena expandir essa resposta para explicar o termo regulamento da linha .
Photon
Você realmente entende o que está acontecendo. "Basta adicionar mais boné" "Claro, por que comprar ?" Peço aos meus colegas na esperança de que comecem a pensar sobre onde e porque a energia é armazenada e usada.
winny
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A premissa básica da pergunta é inválida e não é universalmente aplicável. Certamente, os reguladores (de qualquer variedade) precisam ter uma potência bruta razoavelmente suave (filtrada) para trabalhar. Poucos, se algum deles, operará na CC pulsada a partir de um estágio típico da fonte CA e do retificador. É aqui que geralmente vemos os grandes capacitores de filtro "a granel".

No entanto, há alguns casos em que é necessária uma grande capacitância para sustentar o barramento de alimentação na presença de cargas grandes e intermitentes, como a que é apresentada como exemplo na pergunta.

Não se trata de "mais eficaz antes ou depois". Esses são dois casos separados e independentes e não podem ser combinados logicamente, como na pergunta solicitada.

Richard Crowley
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Porém, essas cargas que exigem capacitores grandes normalmente não estão ligadas diretamente a um regulador e, principalmente, ao trilho de potência do MCU. Quase sempre é necessário usar um suprimento adequado e separado ou, pelo menos, um acoplamento indutivo. Raramente faz sentido amarrar uma tampa grande diretamente à saída de um regulador.
Gábor Móczik
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Um capacitor no lado de saída de um regulador nem começará a tentar fazer algo útil a menos que ou até que a tensão de saída mude. Um capacitor no lado da entrada começará a fornecer corrente quando a tensão de entrada cair. Um regulador típico tentará minimizar a extensão em que as mudanças na tensão de entrada afetam a saída; portanto, a queda na tensão de entrada necessária para fazer o capacitor do lado da entrada começar a fornecer energia normalmente não causará nenhuma alteração significativa na tensão de saída.

Em alguns casos, um regulador pode não ser capaz de reagir instantaneamente a uma demanda repentina de corrente e, nesses casos, um capacitor de saída pode ser útil (se não for necessário) para fornecer alguma corrente à saída durante o tempo que o regulador leva para reagir para uma carga aumentada. O limite de saída não será capaz de alimentar a corrente de maneira muito eficaz sem que a tensão de saída caia visivelmente, mas pode ser capaz de alimentar o suficiente para dar tempo ao regulador para reagir ao aumento da demanda.

supercat
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