Почему моя схема работает с керамическими конденсаторами, а не с электролитическими?

Как вы говорите, электролитические и керамические колпачки имеют разные характеристики на высоких частотах. По сути, электролитические колпачки перестают работать как колпачки на гораздо более низких частотах, чем керамические.

Развязка — это проблема высоких частот, поэтому развязывающие колпачки должны работать на высоких частотах. Электролиты нет, а керамика да.

Ответы OlinLathrop и SomeHardwareGuy верны. И поскольку вы упомянули, что это был USB Bus Powered Device, есть еще одна ошибка. Согласно Спецификации универсальной последовательной шины 2.0, глава 7, раздел 7.2.4.1 Ограничение пускового тока:

Максимальная нагрузка (CRPB), которая может быть размещена на нисходящем конце кабеля, составляет 10 мкФ параллельно с 44 Ом. Емкость 10 мкФ соответствует любому обходному конденсатору, непосредственно подключенному к линиям VBUS в функции, плюс любые емкостные эффекты, видимые через регулятор в устройстве. Сопротивление 44 Ом представляет собой одну единицу нагрузки тока, потребляемого устройством во время соединения.

Это легко упустить, так как это довольно глубоко в документе спецификации версии 2.0 — много лет назад мы случайно нарушили эту спецификацию на некоторых из наших ранних плат с питанием от USB, используя конденсатор емкостью 10 мкФ, и в результате иногда некоторые платы зависали. имеют слишком большой пусковой ток при подключении к порту USB. Windows сообщит об ошибке и отключит этот USB-порт, пока устройство не будет отключено.

Я не видел этого раздела в спецификации USB 3.1, и я предполагаю, что керамические конденсаторы, которые вы использовали, были того же номинала, что и электролитические (3 x 47 мкФ). Спецификация USB 2.0 была завершена в апреле 2000 года, в эпоху, когда керамические конденсаторы, как правило, не были широко доступны со значениями выше 1 мкФ, поэтому чаще использовались электролитические конденсаторы. Физика не изменилась, но изменилась экономика — здесь, в 2015 году, можно купить керамические конденсаторы >100 мкФ, а характеристики керамических конденсаторов в целом ближе к «идеальным» для такого применения.

Если вам необходимо по какой-то причине использовать электролитические конденсаторы на устройстве с питанием от шины USB, решение состоит в том, чтобы либо поддерживать величину емкостной нагрузки, напрямую подключенной к VBUS, менее 10 мкФ, либо использовать внешний источник питания (т. е. вместо устройства с питанием от шины) USB Self-Powered Device. конфигурация.). В техническом описании FT232 на FTDIchip.com есть примеры использования полевого транзистора для изоляции питания USB VBUS от остальной части схемы. Когда устройство подключено к USB, FT232 сначала согласовывается с хостом USB, и только после того, как хост дает разрешение, FET включается, чтобы включить ваше устройство.

Без этого согласования внезапный пусковой ток >10 мкФ полностью разряженных электролитических конденсаторов будет неотличим от короткого замыкания. Порт USB отключается для защиты хост-компьютера. Некоторый пусковой ток все еще будет, когда хост отправит команду на включение устройства, но к тому времени хост уже согласовал с периферийным устройством и дал ему разрешение на включение.

По сравнению с электролитическими конденсаторами керамические конденсаторы имеют более низкую индуктивность, более низкое эффективное последовательное сопротивление и более высокую собственную резонансную частоту. Как правило, более близкие к идеальным характеристики для обхода местного источника питания (по крайней мере, ниже микроволновых частот). Корпус для поверхностного монтажа также имеет меньшую индуктивность, чем корпус для сквозного монтажа. Вы не упомянули конкретно, но я предполагаю, что электролитические конденсаторы на 47 мкФ, вероятно, были сквозными. Даже электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа по сути такие же, как и детали с радиальными выводами, с модифицированными выводами и пластиковым основанием.

Электролитические конденсаторы по-прежнему полезны для развязки больших блоков питания, как правило, там, где мощность поступает на плату в сборе — электролитические конденсаторы обычно дают большую емкость на единицу объема, чем керамические, и, поскольку выводы системы питания уже имеют некоторую последовательную индуктивность, дополнительная индуктивность электролитов терпимо. Но для локального байпаса (рядом с каждой микросхемой) керамические конденсаторы просто необходимы.

У электролитических конденсаторов пусковой ток заметен и поддается измерению и обычно указывается в паспорте компонента. С керамическими конденсаторами, особенно конденсаторами для поверхностного монтажа, этот пусковой ток намного меньше из-за более низкой индуктивности и более высокой собственной резонансной частоты.

Индуктивность... Далее импеданс. Ваши конденсаторы пытаются обеспечить путь с низким импедансом для прохождения тока на интересующей вас частоте. Одним из виновников, скорее всего, будет то, как вы подключили конденсаторы, а вторым — их импеданс по частоте.

Ищите эту кривую в даташитах обеих частей.

Вы увидите, насколько ниже импеданс конденсаторов других групп будет на более высокой частоте (там, где это, вероятно, нужно вашему устройству).

Нельзя сказать, что электролиты бесполезны в конструкции распределительной сети, просто они действительно полезны только на низких частотах. Добавленная индуктивность пакета не помогает.

Цифровые ИС не потребляют ток постоянно. Они потребляют ток в пиках, когда они переключаются. Чем быстрее IC, тем быстрее и чаще будут эти всплески.

При перемещении в частотную область эти выбросы становятся высокочастотными компонентами текущей формы волны. Чтобы предотвратить эти высокочастотные составляющие в форме волны тока, приводящие к неприемлемому отклонению напряжения питания, источник питания должен иметь низкий импеданс даже на высокой частоте (насколько он высок, зависит от микросхемы).

К сожалению, ваш входной источник питания не будет иметь низкий импеданс на высокой частоте, потому что провода имеют индуктивность. Таким образом, чтобы снизить импеданс, мы добавляем обходные конденсаторы (также известные как «развязывающие конденсаторы», хотя я считаю, что этот термин может несколько сбивать с толку).

Таким образом, чтобы быть эффективными, ваши конденсаторы должны по-прежнему работать как эффективные конденсаторы на высоких частотах. Электролитики - нет.