为什么稳压器之前的电容器比之后的更有效?

电器工程 电源 电容器 电压调节器
2022-01-23 03:19:55

我有 5 V 从 USB 移动电源输入到LDO 稳压器,将其降至 3.3 V。在 3.3 V 线路上,我有几个 IC 和IR传感器。其中一个 IR 传感器会在短时间内消耗相当多的电流(我有一个 10 µF 的电容)。

每当那个耗电的红外传感器打开时,它会导致我电路的其他一些部分在瞬间出现奇怪的行为。我认为在 3.3 V 电源轨上添加一个大电容器将有助于消除这种情况,它确实做到了。但我也注意到,我可以改为在 5 V 侧添加一个小得多的电容器,这也解决了问题。

为什么电容在稳压器的输入端比输出端更有效?我认为如果电荷位于传感器所在的输出/3.3 V 侧,系统将“更容易获得”电荷。

(我只是修补电子学,除了基本的物理 E&M 之外没有任何正式的知识。)

*编辑:在问题/实验之前,我已经在调节器的任一侧安装了一个 0.1uF 电容、一个 1uF 电容和两个 10uF 电容(两侧总计 21.1uF)。问题后我开始添加额外的大写字母。

4个回答

利用点瞬态期间的电压降大致由以下几部分组成:

  1. 调节器之前的导线和源的电感。在使用长而细的电源电缆的典型系统的情况下,这通常很重要,因为电缆的电感很高。

  2. 调节器后的导线/PCB 轨道的电感。如果利用率靠近调节器,这通常很短,但如果系统使用大 PCB 或可能更多互连的 PCB,则可能很重要。

  3. 调节器的响应时间。稳压器应响应两个主要事件:输入电压变化、输出负载变化。这些参数可以在其数据表中找到。

在稳压器输出的瞬态期间,会发生以下情况:

  1. 输出电容中的电压下降
  2. 调节器的控制回路感应到电压偏差并尝试进行更多。这需要时间(数据表中的负载调节响应时间),在此期间,电压下降更多。
  3. 调节器导通更多,并从输入电容器中汲取更多电流。
  4. 电缆之前电容和电源电压之间的电压差导致电流开始流过电缆,填充回输入电容器。这需要时间,因为(粗略地说)电感限制了电流开始流动的速度。

如果输入电容器在被电源充满之前无法保持足够的电荷,则电压会降至调节器的最小允许输入电压以下。稳压器无能为力:输出电压保持在标称电平以下,直到输入达到最低电平。

迫使调节器离开其设计的工作区域可能还有其他严重的缺点。如果最初的闭环控制打开,则通过设备可能会饱和。输入电压也可能不足以可靠地为内部电路供电,并且设备可能由于欠压锁定功能而关闭或无法正常工作。当有足够的输入电压时,从这些情况中恢复的时间可能比典型的负载响应要长得多。你应该避免这种情况发生。

即使输出电容很大,也会发生这种情况。它两端的电压会下降,调节器会感应并尝试保持输出电压并将其填满。如果电容太大,稳压器将从输入侧拉出高电流。第一个问题是它来自输入电容,因此即使输出端有一个大电容,也会发生上述情况。第二个问题是电流可能高到足以触发过流保护,这本身会减慢响应速度,而且从过流中恢复可能比负载调节时间慢。您应该将调节器保持在正常工作条件下以实现最佳性能。

输出电容应尽可能小,刚好足以桥接稳压器响应和补偿增加的负载的时间。粗略地说,如果你增加输出上限,你只会加强调节器的工作。

最好的实际方法是从输入端的足够大的上限和输出端的小上限开始。阅读数据表以获取建议。用示波器检查输出侧的瞬态。如果不满意,请尝试增加输出电容或用串联电感较低的电容替换。然后检查输入的瞬态并尝试降低输入上限。两边留有一定的安全余量。

编辑:

稳压器后导线/PCB走线的阻抗...

...具有与前面提到的相同的效果:在瞬态期间或在连续但高频负载的情况下,在利用点将出现电压陷波(或连续下降)。如果您将信号与调节器输出和使用点处的示波器进行比较,您会发现调节器处的噪声要小得多。

导线/轨道的电感与稳压器输出端的电容器相结合,是一个 LC 低通滤波器,可有效抑制 HF 分量。

很好,因为嘈杂的负载不会扭曲调节器的电压(太多)。您可以在星型拓扑中独立于稳压器为 MCU 或其他(模拟)电路供电。这将有效地减少干扰。如果走线的电感不够高,可以特意在线路中加入电感。这可以在与您的设备相似的设备中经常看到:高功率瞬态负载与敏感的模拟/数字控制相结合。

高电源阻抗也很糟糕,因为您希望每个负载都能平稳供电,但这可以通过在每个利用点添加(低 ESR)电容器来解决。例如,如果您检查 PC 主板,您会因为这个原因到处看到数百个陶瓷帽。

在输出端使用电容器时,如果输入电压低于实现输出调节所需的电压,则电源将出现压降,输出电容器将下降。

输入端有一个电容器,调节器将始终具有电压储备,如果它保持在最小输入电压以上,即使没有电容器(在较高频率阻抗上有所妥协),也可以保持输出调节。

使用整流交流电,这种效果将非常明显。使用您的 5 V 电源,它似乎指向的电流能力比您的传感器需要的要小得多。

尝试使用示波器查看电源纹波波形。如果预算和规格证明合理,请考虑设立专门的监管机构。这将防止传感器影响其他部件。

因为 dQ = C*dV。

除非您在其限制范围内运行稳压器,否则您可以容忍输入电容器上的较大 dV,从而允许较小的 C。

该问题的基本前提是无效的,并不普遍适用。当然,监管机构(无论种类繁多)都需要具有相当平滑(过滤)的原始电源才能使用。从典型的交流电源和整流器级出来的脉冲直流电上几乎没有工作。这是我们通常看到大型“大”滤波电容器的地方。

但是,在某些情况下,在存在大的间歇性负载(例如问题中作为示例给出的负载)的情况下,需要大电容来支撑电源总线。

这不是“之前或之后更有效”的问题。这些是两个独立的案例,不能像所问的问题那样在逻辑上结合起来。