Pourquoi un condensateur avant un régulateur de tension est-il plus efficace qu'après?

J'ai 5 V provenant d'une banque d'alimentation USB vers un régulateur de tension LDO qui le réduit à 3,3 V. Sur la ligne 3,3 V, j'ai plusieurs circuits intégrés et capteurs IR . L'un des capteurs IR consomme pas mal de courant en courtes rafales (j'ai un plafond de 10 µF à travers).

Chaque fois que ce capteur infrarouge avide de courant s'allume, il se produit que certaines autres parties de mon circuit se comportent bizarrement pendant une fraction de seconde. J'ai pensé que l'ajout d'un grand condensateur au rail 3,3 V aiderait à éliminer cela, ce qu'il a fait. Mais j'ai également remarqué que je pouvais plutôt ajouter un condensateur beaucoup plus petit du côté 5 V, et cela a également résolu le problème.

Pourquoi le condensateur est-il plus efficace du côté entrée du régulateur plutôt qu'en sortie? Je pensais que la charge serait "plus facilement disponible" pour le système si elle se trouvait du côté sortie / 3,3 V, où se trouve le capteur.

(Je viens de bricoler l'électronique et je n'ai aucune connaissance formelle au-delà de la physique de base E&M.)

* Edit: Avant le problème / l'expérimentation, j'avais déjà de chaque côté du régulateur un plafond de 0,1 uF, un plafond de 1 uF et deux plafonds de 10 uF (totalisant 21,1 uF de chaque côté). J'ai commencé à ajouter des bouchons supplémentaires après le problème.

La chute de tension pendant un transitoire au point d'utilisation est grossièrement composée des éléments suivants:

1. inductance du fil et de la source devant le régulateur. Dans le cas d'un système typique qui utilise un câble d'alimentation long et fin, cela est généralement important car l'inductance du câble est élevée.

2. inductance de la piste fil / PCB après le régulateur. Ceci est généralement court si l'utilisation est proche du régulateur, mais peut être important si le système utilise un gros PCB ou peut-être plus de PCB interconnectés.

3. temps de réponse du régulateur. Il y a deux événements majeurs auxquels le régulateur doit répondre: les variations de tension d'entrée, les variations de charge de sortie. Ces paramètres peuvent être trouvés dans sa fiche technique.

Lors d'un transitoire à la sortie du régulateur, les événements suivants se produisent:

1. la tension dans le condensateur de sortie chute
2. la boucle de commande du régulateur détecte l'écart de tension et essaie d'en conduire davantage. Cela prend du temps (le temps de réponse de la régulation de charge dans la fiche technique), et pendant ce temps, la tension diminue davantage.
3. le régulateur conduit plus et tire plus de courant du condensateur d'entrée.
4. la différence de tension entre le capuchon et la tension d'alimentation avant le câble fait que le courant commence à traverser le câble en remplissant le condensateur d'entrée. Cela prend du temps car (grosso modo) l'inductance limite la vitesse à laquelle le courant peut commencer à circuler .

Si le condensateur d'entrée ne peut pas contenir suffisamment de charge jusqu'à ce qu'il soit rempli par la source, la tension chute en dessous de la tension d'entrée minimale autorisée du régulateur. Le régulateur ne peut rien faire: la tension de sortie reste inférieure au niveau nominal jusqu'à ce que l'entrée atteigne le niveau minimal.

Forcer le régulateur hors de sa zone de fonctionnement conçue peut avoir d'autres inconvénients graves. Si la commande en boucle fermée à l'origine s'ouvre, le dispositif de passage peut saturer. Il est également possible que la tension d'entrée ne soit pas suffisante pour alimenter de manière fiable les circuits internes et que l'appareil puisse s'arrêter en raison de la fonctionnalité de verrouillage de sous-tension ou tout simplement ne pas fonctionner correctement. Le temps de récupération de ces situations peut être beaucoup plus long que la réponse de charge typique lorsque la tension d'entrée est suffisante. Vous devriez éviter que cela se produise.

Cela peut se produire même si le condensateur de sortie est grand. La tension aux bornes de celui-ci va chuter, et le régulateur détecte et essaie de maintenir la tension de sortie et de la remplir. Si le capuchon est trop grand, le régulateur tirera un courant élevé du côté entrée. Le premier problème est qu'il provient du condensateur d'entrée, donc même si vous avez un grand capuchon à la sortie, la situation ci-dessus peut se produire. Le deuxième problème est qu'il est possible que le courant soit suffisamment élevé pour déclencher la protection contre les surintensités, ce qui en soi ralentit la réponse et la récupération après surintensité peut être plus lente que le temps de régulation de la charge. Vous devez conserver le régulateur dans des conditions de fonctionnement normales pour obtenir les meilleures performances.

Le condensateur de sortie doit être aussi petit que possible, juste assez pour combler le temps où le régulateur répond et compense l'augmentation de la charge. En gros, si vous augmentez le plafond de sortie, vous venez de durcir le travail du régulateur.

La meilleure approche dans le monde réel est de commencer avec un capuchon suffisamment grand du côté entrée et un petit côté sortie. Lisez la fiche technique pour des recommandations. Vérifiez le transitoire côté sortie avec un oscilloscope. Si ce n'est pas satisfaisant, essayez d'augmenter le plafond de sortie ou de le remplacer par un qui a une inductance série inférieure. Examinez ensuite le transitoire à l'entrée et essayez de réduire le plafond d'entrée. Gardez une certaine marge de sécurité des deux côtés.

ÉDITER:

L'impédance de la piste fil / PCB après le régulateur ...

... a le même effet que mentionné précédemment: pendant les transitoires ou également en cas de charge continue mais à haute fréquence, au point d'utilisation, il y aura une encoche de tension (ou une baisse continue). Si vous comparez le signal avec un oscilloscope à la sortie du régulateur et au point d'utilisation, vous verrez qu'au niveau du régulateur, le bruit sera beaucoup plus faible.

L'inductance du fil / piste combinée avec le condensateur à la sortie du régulateur est un filtre passe-bas LC, amortissant efficacement les composants HF.

C'est bien , car la charge bruyante ne déforme pas (trop) la tension du régulateur. Vous pouvez alimenter le MCU ou d'autres circuits (analogiques) tous indépendamment du régulateur dans une topologie en étoile. Cela réduira efficacement les interférences. Si l'inductance de la piste n'est pas suffisamment élevée, vous pouvez délibérément inclure des inductances dans la ligne. Cela se voit souvent dans des équipements similaires au vôtre: charges transitoires de forte puissance combinées à une commande analogique / numérique sensible.

Une impédance d'alimentation élevée est également mauvaise , car vous voulez une alimentation fluide à chaque charge, mais cela peut être corrigé en ajoutant des condensateurs (à faible ESR) à chaque point d'utilisation. Si vous examinez une carte mère PC par exemple, vous verrez des centaines de bouchons en céramique partout pour cette raison.

Avec un condensateur sur la sortie, si la tension d'entrée tombe en dessous de ce qui est nécessaire pour atteindre la régulation de sortie, il y aura une coupure de l'alimentation et le condensateur de sortie s'affaissera.

Avec un condensateur à l'entrée, le régulateur aura toujours une réserve de tension, et s'il se maintient au-dessus de la tension d'entrée minimale, la régulation de sortie peut être maintenue même sans condensateur (avec une impédance de fréquence plus élevée quelque peu compromise).

Avec une AC rectifiée, cet effet serait très évident. Avec votre alimentation 5 V, cela semble indiquer une capacité de courant plutôt inférieure à celle dont vos capteurs ont besoin.

Essayez de jeter un œil aux formes d'onde d'ondulation de l'offre avec un oscilloscope. Envisagez d'avoir des régulateurs dédiés si le budget et les spécifications peuvent le justifier. Cela empêchera un capteur d'affecter les autres pièces.

Parce que dQ = C * dV.

À moins que vous n'exécutiez le régulateur à droite sur ses limites, vous pouvez tolérer un dV plus grand sur le condensateur d'entrée, permettant un C. plus petit

La prémisse de base de la question n'est pas valable et n'est pas universellement applicable. Il est certain que les régulateurs (quelle que soit la variété) doivent avoir une puissance brute raisonnablement douce (filtrée) pour fonctionner. Peu ou pas d'opérations fonctionneront sur le calcul d'impulsions à courant continu à partir d'une source de courant alternatif et d'un étage de redresseur typiques. C'est là que nous voyons généralement les grands condensateurs de filtrage "en vrac".

TOUTEFOIS, il existe des cas où une grande capacité est nécessaire pour maintenir le bus d'alimentation en présence de charges importantes et intermittentes telles que celle donnée à titre d'exemple dans la question.

Il ne s'agit pas de "plus efficace avant ou après". Ce sont deux cas séparés et indépendants et ne peuvent pas être combinés logiquement comme dans la question posée.

Un condensateur du côté sortie d'un régulateur ne commencera même pas à essayer de faire quoi que ce soit d'utile à moins ou jusqu'à ce que la tension de sortie change. Un condensateur côté entrée commencera à fournir du courant lorsque la tension d'entrée chute. Un régulateur typique essaiera de minimiser la mesure dans laquelle les changements de tension d'entrée affectent la sortie, de sorte que la chute de tension d'entrée nécessaire pour que le condensateur côté entrée commence à fournir de l'énergie ne provoquera généralement aucun changement significatif de tension de sortie.

Dans certains cas, un régulateur peut ne pas être en mesure de réagir instantanément à une demande de courant soudaine, et dans de tels cas, un condensateur de sortie peut être utile (s'il n'est pas nécessaire) pour fournir un certain courant à la sortie pendant le temps nécessaire au régulateur pour réagir. à une charge accrue. Le capuchon de sortie ne pourra pas alimenter le courant très efficacement sans que la tension de sortie baisse sensiblement, mais il peut être en mesure d'alimenter suffisamment pour donner au régulateur le temps de réagir à la demande accrue.