Najlepszy sposób na zasilenie mikrokontrolera, SMPS vs Regulator liniowy

Korzystam z zasilacza 12 V i akumulatora litowo-jonowego 2S 7,4 V do zasilania mojej elektroniki, a także chciałbym zasilać nim mój MCU. Do przełączania między adapterem a baterią używam BQ24133 od TI.

Będę używał MCU STM32L4 i niektórych innych komponentów, które wykorzystują 3,3 V na niestandardowej płytce drukowanej. Wszystko razem w 3V3 zużywa do 150 mA w pełnym trybie pracy.

Szukam najlepszego / najtańszego rozwiązania.

1. Jaka jest różnica między użyciem konwertera buck a liniowym regulatorem liniowym do zasilania MCU?

2. Czy liniowy regulator (małe paczki) byłby złym pomysłem, ponieważ bardzo się nagrzewałby, ponieważ istnieje duża różnica napięć (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

3. Czy częstotliwość przełączania lub tętnienie napięcia wyjściowego (szum) miałoby duży wpływ na normalną pracę MCU?

4. Wniosek: jaki jest najlepszy sposób zasilania go napięciem wejściowym między 6 V a 12V?

Dziękujemy za cierpliwość i odpowiedzi.

Dziękuję za wszystkie odpowiedzi. Wszyscy byliście bardzo pomocni. Do tej pory korzystałem z liniowej w swoich projektach, ale myślę, że teraz mogę zarabiać. Jeśli chcesz śledzić powód, dla którego o to poprosiłem i zobaczyć, co robię, skorzystaj z tego linku

1) Konwerter Buck to:

• droższy niż regulator liniowy
• zajmuje zwykle więcej miejsca na płytce drukowanej
• jest zazwyczaj trudniejszy do zaprojektowania (czasem trochę więcej, czasem znacznie więcej)
• jest bardziej głośny (choć hałas zależy od wielu czynników)

Ale w rzeczywistości jest znacznie bardziej energooszczędny, szczególnie jeśli istnieje duża różnica w napięciu wejściowym w porównaniu do napięcia wyjściowego, co ma tutaj miejsce. Buck będzie generować prawie taką samą moc, jaką pobiera na wejściu (wydajność wynosi zwykle ~ 80-90%), podczas gdy liniowy regulator pobierze tyle prądu, ile potrzebuje na zasileniu (co oznacza, że ​​wydajność wynosi Vout / Vin , w twoim przypadku około 27–44%, co jest bardzo złe).

2) Tak, to właściwie jedyny powód, dla którego regulator liniowy może być złym wyborem: wydajność (a twoje obliczenia rozproszonego ciepła są w porządku). Teraz rozproszenie tak dużej mocy prowadzi do dwóch dużych problemów:

• Prawdopodobnie będziesz potrzebował radiatora (sprawdź arkusz danych regulatora liniowego: przy czymkolwiek większym niż 1 W, musisz dokładnie sprawdzić nawet w pakiecie TO-220. Przy użyciu mniejszych pakietów często nie jest to w ogóle możliwe). Zatem neguje to „więcej miejsca na PCB” niewygodne dla regulatorów buck.

• Jeśli korzystasz z baterii, oznacza to znacznie krótszy czas działania. Czasami nie możesz sobie na to pozwolić (wykonaj obliczenia).

3) Najprawdopodobniej nie, jeśli użyjesz standardowych zintegrowanych rozwiązań, aby zmniejszyć. Ci są wykonane , aby zapewnić zasilanie chipy IC i notatki datasheet / Stosowanie step-down controller / regulator będzie wybrać należy podać kilka informacji na temat ilości hałasu dostaniesz. Jednak w przypadku operacji cyfrowych hałas zasilający zwykle nie stanowi większego problemu.

4) Biorąc pod uwagę ogromną różnicę w napięciach wejściowych / wyjściowych, potrzebny prąd i fakt, że częściowo będziesz zasilany z akumulatorów, wydaje się logicznym wyborem, aby uzyskać grosze. Ale musisz to wszystko dokładnie sprawdzić. Być może w twoim przypadku dopuszczalne jest posiadanie ogromnego TO-220 rozpraszającego 1,3 W w obudowie, a czas działania, którego potrzebujesz, nie jest tak wysoki.

Jeśli zdecydujesz się na złotówkę, oto, co mogę zasugerować:

• Jednym z rozwiązań jest wybór kompletnego modułu. Nie musisz niczego projektować. Sprawdź mouser / digikey, mają konwertery DC-DC, które możesz po prostu przylutować do płytki drukowanej jak regulator liniowy. Jeśli jesteś facetem z serwisu aliexpress / ebay, prawdopodobnie znajdziesz tam również wiele tanich rzeczy.
• Możesz zaprojektować własne (przerażające, wiem ... wow, induktor!). W tym przypadku mogę zasugerować przyjrzenie się narzędziom różnych producentów (np. Webench TI, ale technologia liniowa też ma takie ...). Po prostu dostarczasz im swoje wymagania (napięcie wejściowe / wyjściowe, prąd, ...) i wydziela wiele możliwych konstrukcji (zobaczysz, że niektóre z nich są w rzeczywistości bardzo proste) z różnymi układami z ich katalogu. Wszystkie wartości komponentów pasywnych są już obliczone, a nawet sugerują numery części dla cewki indukcyjnej itp. Musisz więc sprawdzić zalecany układ płytki drukowanej w dokumentacji, aby zaprojektować płytkę, kupić części, lutować, i powinno działać.

1) SMPS jest bardziej skuteczny w przetwarzaniu energii, ale jest bardziej głośny z powodu przełączania. Regulator liniowy marnuje moc proporcjonalną do różnicy napięcia wejściowego i wyjściowego, ale działa przy niskim poziomie hałasu.

2) Zależy od tego, czy możesz rozproszyć 1,3 W - tylko projektant (Ty) może to wiedzieć. 1,3 W może być dużą mocą dla małego układu scalonego, więc możesz potrzebować radiatora.

3) Różne częstotliwości przełączania powodują hałas w różnych pasmach częstotliwości. Tylko projektant (Ty) może wiedzieć, czy to będzie problem. Należy postępować zgodnie z projektem referencyjnym dla konkretnego MCU, aby upewnić się, że tętnienie napięcia wejściowego jest akceptowalnie niskie.

4) Zależy od tego, jak kompromisy są ważone dla konkretnego zastosowania. Jedno nie może być obiektywnie lepsze od drugiego. Jest to prawie zawsze kompromis w inżynierii.

1. Jaka jest różnica w stosowaniu konwertera buck w porównaniu z liniowym regulatorem liniowym

Bardzo minimalistyczne wyjaśnienie:

SMPS

SMPS (zasilacz impulsowy, np. Buck) zasadniczo porównuje napięcie wyjściowe z danym napięciem odniesienia. Jeśli napięcie wyjściowe jest powyżej wartości odniesienia, regulator zasadniczo odcina połączenie między wejściem a wyjściem. Jeśli napięcie wyjściowe jest niższe od wartości odniesienia, wejście i wyjście są połączone. Pojemność wyjściowa i indukcyjność służą do magazynowania energii po stronie wyjściowej i wygładzania napięcia wyjściowego.

zalety : Wydajność, a tym samym rozpraszanie mocy (-> ciepło), ponieważ przełączniki są albo zamknięte (brak prądu -> brak rozpraszania mocy), albo otwarte (najniższy stan rezystancji -> minimalne rozpraszanie mocy).

wady : dodatkowe części (zwykle dzielnik napięcia, indukcyjność, pojemność i być może koralik ferrytowy do tłumienia hałasu) i podwyższona cena (samo urządzenie i dodatkowe części).

Liniowy

W przeciwieństwie do SMPS, regulator liniowy nie używa tranzystora jako przełącznika (on / off), ale w trybie liniowym (dopuszcza się również każdy stan między włączeniem a wyłączeniem). Prowadzi to do zwiększonego rozproszenia mocy, ponieważ można sobie wyobrazić tranzystor jako regulowany rezystor, który jest dostosowywany do spadku napięcia Vin-Vout.

korzyści : tanie; łatwo; mniejszy / żaden hałas z powodu braku przełączania, może wymagać jedynie wad w zakresie pojemności : wydajność, szczególnie przy dużym obciążeniu;

2. Czy regulator liniowy (małe paczki) byłby złym pomysłem, ponieważ bardzo się nagrzewałby, ponieważ istnieje duża różnica w napięciu (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

Odpowiedziałbym na to tak. Jeśli spojrzysz tutaj i weźmiesz pod uwagę wartości takie jak te w rozdziale 6.4, np. W tym arkuszu danych , zobaczysz, że opór cieplny łatwo przekracza 100 ° C / W (co oznacza: wzrost temperatury o 100 ° C dla rozproszenia mocy 1W). Myślę, że posiadanie tego w małej obudowie nie zadziała, nawet z (małym, ponieważ małym pakietem) radiatorem i dużą ilością miedzi na płytce drukowanej przeznaczonej do chłodzenia (więc nie będziesz mógł w ogóle skorzystać z małego pakietu) ).

Z reguły używam regulatora liniowego, jeśli potrzebuję albo bardzo niskich prądów (zaledwie kilka mA przy maks.), Bardzo małego spadku napięcia (1..2 V) i / lub bardzo czystego napięcia zasilania dla ADC lub innego analogu Części. Oznacza, że ​​w większości przypadków wolę używać SMPS. Wymagają zwykle więcej części (więcej pokryw, rezystorów, indukcyjności), więc jest to droższe i „skomplikowane” rozwiązanie.

3. Czy częstotliwość przełączania lub tętnienie napięcia wyjściowego (szum) miałoby duży wpływ na normalną pracę MCU?

Jeśli projektujesz SMPS w oparciu o arkusz danych urządzenia, zwykle podaje się obliczenia dotyczące oczekiwanego hałasu tętnienia. Zazwyczaj są one w zakresie 1% napięcia wyjściowego, co nie stanowi problemu dla systemów cyfrowych. Utworzyłem arkusz Excela z czapkami wymiarów pomocy itp., Ale nie wiem, jak tutaj dodać załącznik ...

Prawdopodobnie zechcesz również dodać czapkę 10..100nF do każdego wejścia zasilającego MCU i utrzymywać krótkie ślady od Czapki do MCU, aby zminimalizować tętnienia widoczne przez styki zasilania.

4. Podsumowując, jaki jest najlepszy sposób na zasilenie go napięciem wejściowym między 6V a 12V?

Ponieważ potrzebujesz dużego kroku napięciowego, więcej niż kilka mA i nie wspomniałem o żadnych specjalnych wymaganiach dotyczących hałasu (w przypadku analogów), wybrałbym SMPS.

Nie ma najlepszego sposobu! Wszystko to okazja.

Zasadniczo zasilacze impulsowe mają lepszą wydajność niż zasilacze liniowe. Są jednak znacznie głośniejsze niż ich odpowiedniki. Może to mieć krytyczne znaczenie dla precyzyjnych obwodów.

Zastosowanie regulatora liniowego jako dodatkowej regulacji dla przełączalnych źródeł zasilania jest dobre, ponieważ spełnia 2 czynniki: sprawność, niski poziom hałasu. Ale znowu wszystko to okazja! Wprowadza to większy koszt BOM i więcej miejsca na planszy!

1. Jaka jest różnica ...

Różnią się od swojej zasady działania. Skorzystaj z Google!

2. Czy regulator liniowy ...

Może zależy to od twojego projektu.

3. ...

Zwykle nie, jeśli piny zasilacza zostały odłączone. Może to być problem z urządzeniami analogowymi (ADC, DAC, ...)

4. ...

Nie mogę na to odpowiedzieć.

Konwertery Buck są bardziej głośne i droższe ze względu na przełączanie i elementy zewnętrzne, takie jak cewka indukcyjna (zwykle nie można zintegrować tego z układem scalonym, ale inne elementy zewnętrzne mogą być zintegrowane dla mniejszych prądów). Hałas zwykle nie stanowi problemu dla obwodów cyfrowych (które generują własny szum w szynie zasilającej), ale może być zbyt duży dla analogowych. W zależności od potrzebnej mocy, SMPS może być również mniejszy, ponieważ wysoka wydajność będzie oznaczać mniejszą rozproszoną moc (induktor może być mniejszy niż radiator).

Konwertery liniowe są zwykle tańsze i dla mniejszych mocy mogą być również mniejsze, jeśli używanych jest niewiele elementów zewnętrznych, ale mogą wymagać radiatora dla większych mocy.

Istnieje również opcja użycia rezystora i Zenera, ale zwykle nie jest to nawet brane pod uwagę, ponieważ Zener zużywa energię, nawet jeśli MCU tego nie zrobi (na przykład podczas uśpienia / czuwania), ale może to być opłacalna opcja, jeśli twoje obecne losowanie jest względnie stałe.

Wybór zasilacza jest kompromisem: musisz zrównoważyć swój budżet, rozmiar i hałas. Ponieważ prawdopodobnie spadasz z 12 V do 3,3 V, twoje wymagania termiczne zwykle będą dominować, co zwykle będzie oznaczać konwerter buck. Jeśli jednak Twoja aplikacja intensywnie korzysta z ADC, o ile nie możesz mieć zewnętrznego napięcia odniesienia, może być korzystne użycie przetwornika liniowego, nawet w przypadku większych rozmiarów. Następnie, jeśli pozwala na to twój budżet, możesz również użyć obu : możesz użyć konwertera buck, aby obniżyć z 12 / 7,4 V do 5 lub 4 V, a następnie użyć liniowego, aby przejść do 3,3 V. Pozwoli to na mniejszy spadek regulator liniowy, prawdopodobnie unikający problemów termicznych.

SMPS zapewni droższe rozwiązanie wewnętrznego zasilania MCU.
Zamiast tego liniowe regulatory reperują w mniej głośnych przetwornikach DAC, a przełączające w bardziej stabilnych obliczeniach.
Zasilacz impulsowy zrekompensuje szybkie obliczenia przełączania MCU. Zamiast tego wypróbować regulatory liniowe, które mogą zapewnić odpowiednią jakość przetwornika cyfrowo-analogowego, ale kosztem większych szans MCU się zawiesi.

W odniesieniu do wniosku: regulatory liniowe są często podłączane do MCU, które zapewniają reset przy zawieszeniu watchdoga.
Przełączanie jest znacznie droższe, ale wymagania są odpowiednie dla każdej aplikacji.
Być może już wolisz kupować moduły SMPS, które można łatwo dostosować do dowolnych potrzeb.