Warum funktioniert meine Schaltung mit Keramikkondensatoren, aber nicht mit Elektrolytkondensatoren?

Wie Sie sagen, haben Elektrolyt- und Keramikkappen bei hohen Frequenzen unterschiedliche Leistungen. Grundsätzlich wirken Elektrolytkappen bei viel niedrigeren Frequenzen nicht mehr wie Kappen als Keramiken.

Entkopplung ist ein Hochfrequenzproblem, daher müssen Entkopplungskappen bei hohen Frequenzen funktionieren. Elektrolyte nicht, Keramik schon.

Die Antworten von OlinLathrop und SomeHardwareGuy sind beide richtig. Und da Sie erwähnt haben, dass dies eine ist USB Bus Powered Device, gibt es noch einen weiteren Fallstrick. Gemäß der Universal Serial Bus Specification 2.0 Kapitel 7 Electrical, Abschnitt 7.2.4.1 Einschaltstrombegrenzung:

Die maximale Last (CRPB), die am Downstream-Ende eines Kabels platziert werden kann, beträgt 10 µF parallel zu 44 Ω. Die Kapazität von 10 µF stellt jeden Überbrückungskondensator dar, der in der Funktion direkt über die VBUS-Leitungen angeschlossen ist, zuzüglich aller kapazitiven Effekte, die durch die sichtbar sind Regler im Gerät. Der 44-Ω-Widerstand stellt eine Einheitslast des Stroms dar, der vom Gerät während des Anschließens gezogen wird.

Dies wird leicht übersehen, da es ziemlich tief im Spezifikationsdokument der Version 2.0 steht – vor vielen Jahren haben wir versehentlich diese Spezifikation auf einigen unserer frühen USB-betriebenen Boards verletzt, indem wir einen 10uF-Kondensator verwendet haben, und das Ergebnis war, dass einige Boards dies manchmal taten haben zu viel Einschaltstrom, wenn sie an den USB-Anschluss angeschlossen sind. Windows meldete einen Fehler und schaltete diesen USB-Anschluss aus, bis das Gerät vom Stromnetz getrennt wurde.

Ich habe diesen Abschnitt nicht in der USB 3.1-Spezifikation aufgeführt gesehen, und ich gehe davon aus, dass die von Ihnen verwendeten Keramikkondensatoren den gleichen Wert hatten wie die Elektrolyte (3 x 47 µF). Die USB 2.0-Spezifikation wurde im April 2000 fertiggestellt, einer Ära, in der Keramikkondensatoren im Allgemeinen nicht in Werten über 1 µF erhältlich waren, sodass Elektrolytkondensatoren häufiger verwendet worden wären. Die Physik hat sich nicht geändert, aber die Wirtschaftlichkeit – hier im Jahr 2015 ist es möglich, Keramikkondensatoren mit >100 µF zu kaufen, und die Eigenschaften von Keramikkondensatoren sind in dieser Art von Anwendung im Allgemeinen näher am „Ideal“.

Wenn Sie aus irgendeinem Grund Elektrolytkondensatoren an einem über den USB-Bus mit Strom versorgten Gerät verwenden müssen, besteht die Lösung darin, entweder die Menge der direkt an den VBUS angeschlossenen kapazitiven Last unter 10 µF zu halten oder eine externe Stromversorgung zu verwenden (d. h. anstelle eines über den Bus mit Strom versorgten Geräts) USB Self-Powered Device. Aufbau.). Das FT232-Datenblatt von FTDIchip.com enthält Beispiele für die Verwendung eines FET, um die USB-VBUS-Versorgung vom Rest der Schaltung zu isolieren. Wenn das Gerät an USB angeschlossen wird, verhandelt der FT232 zuerst mit dem USB-Host, und erst nachdem der Host die Erlaubnis erteilt hat, schaltet sich FET ein, um Ihr Gerät einzuschalten.

Ohne diese Verhandlung wäre der plötzliche Einschaltstrom von >10 uF von vollständig entladenen Elektrolytkondensatoren nicht von einem Kurzschlussfehler zu unterscheiden. Der USB-Port wird heruntergefahren, um den Host-Computer zu schützen. Es wird immer noch einen gewissen Einschaltstrom geben, wenn der Host den Befehl zum Aktivieren des Geräts sendet, aber zu diesem Zeitpunkt hat der Host bereits mit dem Peripheriegerät verhandelt und ihm die Genehmigung zum Einschalten erteilt.

Im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren haben Keramikkondensatoren eine geringere Induktivität, einen geringeren effektiven Serienwiderstand und eine höhere Eigenresonanzfrequenz. Im Allgemeinen eine nahezu ideale Leistung für die Umgehung der lokalen Stromversorgung (zumindest unterhalb der Mikrowellenfrequenzen). Surface-Mount-Packaging hat auch weniger Induktivität als Through-Hole-Packaging. Sie haben es nicht ausdrücklich erwähnt, aber ich gehe davon aus, dass die 47-µF-Elektrolytkondensatoren wahrscheinlich durchkontaktiert waren. Sogar oberflächenmontierbare Elektrolytkondensatoren sind im Wesentlichen die gleichen wie radial bedrahtete Teile, mit modifizierten Anschlüssen und einer Kunststoffbasis.

Elektrolytkondensatoren sind immer noch nützlich für die Entkopplung von Massenstromversorgungen, typischerweise dort, wo Strom in eine Platinenbaugruppe eintritt - Elektrolyte liefern im Allgemeinen mehr Kapazität pro Volumeneinheit als Keramik, und da die Leitungen des Stromversorgungssystems bereits eine gewisse Serieninduktivität haben, die zusätzliche Induktivität der Elektrolyte ist erträglich. Aber für den lokalen Bypass (in der Nähe jedes ICs) sind Keramikkondensatoren unerlässlich.

Bei Elektrolytkondensatoren ist der Einschaltstrom spürbar und messbar und meist auf dem Datenblatt des Bauteils aufgeführt. Bei Keramikkondensatoren – insbesondere Oberflächenmontagekondensatoren – ist dieses Einschaltstromereignis aufgrund der niedrigeren Induktivität und der höheren Eigenresonanzfrequenz viel kleiner.

Induktivität... Gefolgt von der Impedanz. Ihre Kappen versuchen, einen Pfad mit niedriger Impedanz bereitzustellen, damit Strom bei Ihrer interessierenden Frequenz fließen kann. Ein Schuldiger wird wahrscheinlich sein, wie Sie Ihre Kappen angeschlossen haben, und der zweite wird ihre Impedanz über der Frequenz sein.

Suchen Sie diese Kurve in den Datenblättern beider Teile.

Sie werden sehen, wie viel niedriger die Impedanz der anderen Gruppenkappen bei höherer Frequenz ist (wo Ihr Gerät sie wahrscheinlich benötigt).

Um nicht zu sagen, dass Elektrolyte in einem Stromverteilungsnetzdesign nicht nützlich sind, sie sind nur bei niedriger Frequenz wirklich nützlich. Die zusätzliche Induktivität des Gehäuses hilft nicht.

Digitale ICs ziehen nicht kontinuierlich Strom. Sie ziehen Strom in Spitzen, wenn sie schalten. Je schneller der IC, desto schneller und häufiger treten diese Spitzen auf.

Beim Übergang in den Frequenzbereich werden diese Spitzen zu Hochfrequenzkomponenten in der Stromwellenform. Um zu verhindern, dass diese hochfrequenten Komponenten in der Stromwellenform zu unzulässigen Abweichungen in der Versorgungsspannung führen, muss die Versorgung selbst bei hoher Frequenz eine niedrige Impedanz haben (wie hoch, hängt vom Chip ab).

Leider hat Ihre eingehende Stromversorgung bei hoher Frequenz keine niedrige Impedanz, da Drähte eine Induktivität haben. Um die Impedanz zu senken, fügen wir also Bypass-Kondensatoren hinzu (auch bekannt als "Entkopplungskondensatoren", obwohl ich finde, dass dieser Begriff etwas verwirrend sein kann).

Um also effektiv zu sein, müssen Ihre Kondensatoren bei hohen Frequenzen immer noch als effektive Kondensatoren arbeiten. Elektrolyse nicht.