Il modo migliore per alimentare un microcontrollore, SMPS vs Linear Regulator

Sto usando un adattatore da 12 V e una batteria agli ioni di litio da 2 S 7,4 V per alimentare i miei dispositivi elettronici e vorrei anche alimentare il mio MCU con esso. Per passare dall'adattatore alla batteria sto usando un BQ24133 di TI.

Userò un MCU STM32L4 e alcuni altri componenti che usano 3.3V su un PCB personalizzato. Tutto insieme su 3V3 utilizza fino a 150 mA in modalità operativa completa.

Sto cercando la soluzione migliore / più economica.

1. Qual è la differenza tra l'utilizzo del convertitore buck rispetto al regolatore lineare lineare per alimentare un MCU?

2. Un regolatore lineare (piccoli pacchetti) sarebbe una cattiva idea perché si scalderebbe molto perché c'è una grande differenza di tensione (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

3. La frequenza di commutazione o ondulazione della tensione di uscita (rumore) avrebbe una grande influenza sul normale funzionamento di un MCU?

4. Conclusione, qual è il modo migliore per alimentarlo con le tensioni di ingresso tra 6 V e 12 V?

Grazie per la tua pazienza e le tue risposte.

Grazie per tutte le tue risposte. Siete stati tutti molto utili. Fino ad ora ho usato linear per i miei progetti, ma penso che ora potrei andare in rovina. Se vuoi seguire il motivo per cui ho chiesto questo, e vedere cosa sto facendo, segui questo link

1) Il convertitore Buck è:

• più costoso di un regolatore lineare
• occupa generalmente più spazio sul PCB
• è in genere più difficile da progettare (a volte, solo un po 'di più, a volte molto di più)
• è più rumoroso (la quantità di rumore dipende da molti fattori, però)

Ma è davvero molto più efficiente dal punto di vista energetico, soprattutto se c'è una grande differenza nella tensione di ingresso rispetto alla tensione di uscita, che è il tuo caso qui. Il buck produrrà quasi la stessa potenza di quella necessaria all'ingresso (le efficienze sono in genere ~ 80-90%), mentre il regolatore lineare assorbirà tutta la corrente che deve fornire (il che significa che l'efficienza è Vout / Vin , qualcosa come ~ 27-44% nel tuo caso, il che è molto male).

2) Sì, questo è in realtà l'unico motivo per cui il regolatore lineare può essere una cattiva scelta: l'efficacia (e il tuo calcolo del calore dissipato va bene). Ora, avere così tanta potenza dissipata porta a due grossi problemi:

• Probabilmente avrai bisogno di un dissipatore di calore (controlla il foglio dati del regolatore lineare: a qualcosa di più di 1W, devi controllare attentamente anche nel pacchetto TO-220. Quando si usano pacchetti più piccoli, spesso non è affatto possibile). Quindi questo nega l'inconveniente "più spazio sul PCB" dei regolatori buck.

• Se si utilizza batterie, significa molto meno tempo di esecuzione. A volte, non puoi permetterlo (fai il calcolo).

3) Molto probabilmente no, se usi le soluzioni integrate standard per fare il passo indietro. Questi sono fatti per fornire energia ai chip IC e le schede tecniche / note applicative del controller / regolatore step-down che sceglierai ti daranno alcune informazioni sulla quantità di rumore che otterrai. Ma per il funzionamento digitale, il rumore di alimentazione non è in genere un problema.

4) Vista l'enorme differenza nelle tensioni di ingresso / uscita, la corrente di cui hai bisogno e il fatto che eseguirai parzialmente le batterie, sembra una scelta logica andare per un dollaro. Ma devi ricontrollare tutto da solo. Forse nel tuo caso è accettabile avere un enorme TO-220 che dissipa 1,3 W nel tuo contenitore e il tempo di esecuzione di cui hai bisogno non è così alto.

Se vai per un dollaro, ecco cosa posso suggerire:

• Una soluzione è quella di scegliere un modulo completo. Quindi non è necessario progettare nulla. Controlla mouser / digikey, hanno convertitori DC-DC che puoi saldare sul tuo PCB come un regolatore lineare. Se sei un tipo aliexpress / ebay, probabilmente troverai anche molte cose economiche lì.
• Puoi progettare il tuo (spaventoso, lo so ... wow, un induttore!). Quello che posso suggerire in questo caso è quello di dare un'occhiata agli strumenti forniti dai vari produttori (ad es. Webench TI, ma anche la tecnologia lineare ne ha uno ...). Devi solo fornire loro i tuoi requisiti (tensione di ingresso / uscita, corrente, ...) e sputa un sacco di possibili progetti (vedrai alcuni di loro sono in realtà molto semplici) con chip diversi dal loro catalogo. Tutti i valori dei componenti passivi sono già calcolati per te e ti suggeriscono persino i numeri di parte per l'induttore, ecc ... Quindi devi solo controllare il layout PCB raccomandato dalla documentazione per progettare la tua scheda, acquistare le parti, saldare, e dovrebbe funzionare.

1) SMPS è più efficace nella conversione di energia, ma è più rumoroso a causa della commutazione. Il regolatore lineare spreca potenza proporzionale alla differenza nella tensione di ingresso e di uscita, ma funziona a basso rumore.

2) Dipende dal fatto che tu possa dissipare 1.3W - solo il designer (tu) può saperlo. 1,3 W può essere molto potente per un piccolo circuito integrato, quindi potrebbe essere necessario un dissipatore di calore.

3) Diverse frequenze di commutazione fanno rumore su diverse bande di frequenza. Solo il designer (tu) può sapere se questo sarà un problema. È necessario seguire un progetto di riferimento per l'MCU specifico per garantire che l'ondulazione della tensione di ingresso sia accettabilmente bassa.

4) Dipende da come vengono ponderati i compromessi per l'applicazione specifica. Uno non può essere oggettivamente migliore dell'altro. È quasi sempre un compromesso in ingegneria.

1. Qual è la differenza nell'utilizzo del convertitore buck rispetto al regolatore lineare lineare

Spiegazione molto minimalista:

SMPS

Un SMPS (alimentatore switching, ad es. Buck) fondamentalmente confronta la tensione di uscita con un dato riferimento. Se la tensione di uscita è superiore al riferimento, il regolatore sostanzialmente interrompe la connessione tra ingresso e uscita. Se la tensione di uscita è inferiore al riferimento, l'ingresso e l'uscita sono collegati. La capacità e l'induttanza di uscita vengono utilizzate per immagazzinare energia sul lato di uscita e attenuare la tensione di uscita.

vantaggi : efficienza e quindi dissipazione di potenza (-> calore) perché gli interruttori sono chiusi (nessuna corrente -> nessuna dissipazione di potenza) o aperti (stato di resistenza più basso -> minima dissipazione di potenza).

lati negativi : parti aggiuntive (di solito un deviatore di tensione, induttanza, capacità e forse un tallone di ferrite per la soppressione del rumore) e aumento del prezzo (dispositivo stesso e parti aggiuntive).

Lineare

A differenza di un SMPS, un regolatore lineare non utilizza un transistor come interruttore (on / off) ma in modalità lineare (è ammesso anche qualsiasi stato tra on e off). Ciò porta ad una maggiore dissipazione di potenza, poiché puoi immaginare il transistor come un resistore regolato che viene regolato per una caduta di tensione di Vin-Vout.

vantaggi : economico; facile; meno / nessun rumore a causa della mancanza di commutazione, potrebbe essere necessario solo un lato negativo della capacità : efficienza, soprattutto su carichi elevati;

2. Il regolatore lineare (piccoli pacchetti) sarebbe una cattiva idea perché si scalderebbe molto perché c'è una grande differenza di tensione (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

Risponderei con questo sì. Se dai un'occhiata qui e consideri valori come quelli del capitolo 6.4 di questo foglio dati , vedrai che la resistenza termica supera facilmente i 100 ° C / W (il che significa: un aumento della temperatura di 100 ° C per una dissipazione di potenza di 1 W). Penso che avere questo in un piccolo caso non funzionerà, anche con un dissipatore di calore (piccolo, perché piccolo pacchetto) e molta area di rame sul tuo PCB determinata per il raffreddamento (quindi non sarai in grado di beneficiare del piccolo pacchetto affatto ).

Come regola generale di solito uso un regolatore lineare se ho bisogno di correnti molto basse (solo pochi mA al massimo), caduta di tensione molto piccola (1..2 V) e / o tensione di alimentazione super pulita per un ADC o altro analogico parti. Significa nella maggior parte dei casi che preferisco usare SMPS. Questi richiedono solitamente più parti (più tappi, resistori, induttanza), quindi è una soluzione più costosa e "complicata".

3. La frequenza di commutazione o ondulazione della tensione di uscita (rumore) avrebbe una grande influenza sul normale funzionamento di un MCU?

Se si progetta un SMPS basato sulla scheda tecnica dei dispositivi, di solito vengono forniti i calcoli per il rumore di ondulazione previsto. Questi sono generalmente entro l'1% della tensione di uscita, il che non è un problema per i sistemi digitali. Ho creato un foglio Excel per le quote dimensionali, ecc., Ma non so come aggiungere un allegato qui ...

Inoltre, probabilmente si vorrebbe aggiungere un limite di 10..100nF a ciascun ingresso di alimentazione dell'MCU e mantenere brevi le tracce da Cap a MCU per ridurre al minimo l'ondulazione vista dai pin di alimentazione.

4. Conclusione, qual è il modo migliore per alimentarlo con le tensioni di ingresso tra 6 V e 12 V?

Dato che hai bisogno di un grande passo di tensione, più di qualche mA e non ho menzionato alcun requisito speciale per quanto riguarda il rumore (per roba analogica) andrei con un SMPS.

Non esiste un modo migliore! Tutto è un vero affare.

Generalmente, i alimentatori a modalità switch hanno una migliore efficienza rispetto ai alimentatori lineari. Tuttavia, sono molto più rumorosi della loro controparte. Questo può essere fondamentale per i circuiti di precisione.

L'uso del regolatore lineare come post-regolazione per alimentatori in modalità switch è buono, poiché soddisfa 2 fattori: efficienza, bassa rumorosità. Ma, di nuovo, tutto è un vero affare! Ciò introduce più costi DBA e più spazio sulla scheda!

1. Qual è la differenza ...

Differiscono dal loro principio di funzionamento. Si prega di utilizzare Google!

2. Sarebbe regolatore lineare ...

Forse dipende dal tuo design.

3. ...

Di solito no se i pin dell'alimentatore sono stati disaccoppiati. Questo potrebbe essere un problema con elementi analogici (ADC, DAC, ...)

4. ...

Non posso rispondere a questo.

I convertitori buck sono più rumorosi e costosi a causa della commutazione e dei componenti esterni come l'induttore (di solito non è possibile integrarlo nell'IC, ma altri esterni possono essere integrati per correnti più piccole). Il rumore di solito non è un problema per i circuiti digitali (che generano il proprio rumore nella barra di alimentazione), ma potrebbe essere troppo per l'analogico. A seconda della quantità di energia necessaria, un SMPS può anche essere più piccolo poiché l'elevata efficienza comporterà una potenza dissipata minore (l'induttore potrebbe essere più piccolo del dissipatore di calore).

I convertitori lineari sono generalmente più economici e per potenze inferiori possono anche essere più piccoli se vengono utilizzati pochi componenti esterni, ma potrebbe essere necessario un dissipatore di calore per potenze più grandi.

C'è anche la possibilità di utilizzare un resistore e Zener, ma questo di solito non è nemmeno considerato perché Zener consumerà energia anche se l'MCU non lo farà (ad esempio durante lo standby / standby), ma potrebbe essere un'opzione praticabile se il sorteggio attuale è relativamente costante.

La selezione dell'alimentatore è un compromesso: devi bilanciare il tuo budget, le dimensioni e il rumore. Dal momento che probabilmente stai scendendo da 12 V a 3,3 V, i tuoi requisiti termici normalmente domineranno, il che di solito indica un convertitore buck. Tuttavia, se l'applicazione utilizza fortemente l'ADC, a meno che non si possa avere un riferimento di tensione esterno, può essere vantaggioso utilizzare un convertitore lineare, anche per dimensioni maggiori. Quindi, se il budget lo consente, è anche possibile utilizzare entrambi : è possibile utilizzare un convertitore buck per passare da 12 / 7,4 V a 5 o 4 V, quindi utilizzare un lineare per passare a 3,3 V. Ciò consentirà un calo minore in il regolatore lineare, possibilmente evitando problemi termici.

SMPS ti fornirà una soluzione più costosa per l'alimentazione interna della MCU.
I regolatori lineari si ripercuotono invece in un DAC meno rumoroso e cambiando quelli in un calcolo più stabile.
L'alimentazione di commutazione compenserà i calcoli rapidi di commutazione MCU. Invece si prova che i regolatori lineari possono fornire un'equa qualità DAC ma a scapito di maggiori probabilità che l'MCU si blocchi.

Per quanto riguarda una conclusione: i regolatori lineari sono spesso collegati all'MCU che fornisce un reset sul watchdog di blocco.
Il passaggio è molto più costoso ma le esigenze sono rilevanti per ogni applicazione.
Potresti già preferire l'acquisto di moduli SMPS che sono facilmente adattabili a qualsiasi esigenza.