Melhor maneira de alimentar um microcontrolador, SMPS vs Linear Regulator

Estou usando um adaptador de 12V e uma bateria de íon de lítio 2S 7.4V para alimentar meus eletrônicos, e também gostaria de alimentar meu MCU. Para alternar entre o adaptador e a bateria, estou usando um BQ24133 da TI.

Vou usar um MCU STM32L4 e alguns outros componentes que usam 3.3V em uma PCB personalizada. Tudo junto em 3V3 usa até 150 mA quando no modo de operação total.

Estou procurando a solução melhor / mais barata.

1. Qual é a diferença do uso de conversor buck vs regulador linear linear para alimentar um MCU?

2. Um regulador linear (pacotes pequenos) seria uma péssima idéia, porque aqueceria muito porque há uma grande diferença de tensão (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3W)?

3. A frequência de comutação ou ondulação da tensão de saída (ruído) seria uma grande influência no funcionamento normal de um MCU?

4. Conclusão, qual é a melhor maneira de alimentá-lo com tensões de entrada entre 6V e 12V?

Agradecemos sua paciência e suas respostas.

Obrigado por todas as suas respostas. Vocês todos foram muito úteis. Até agora, eu usava linear para meus projetos, mas acho que agora posso ganhar dinheiro. Se você quiser acompanhar o motivo pelo qual pedi isso e ver o que estou fazendo, siga este link

1) O conversor Buck é:

• mais caro que um regulador linear
• ocupa tipicamente mais espaço no PCB
• normalmente é mais difícil de projetar (às vezes, um pouco mais, às vezes, muito mais)
• é mais barulhento (a quantidade de ruído depende de muitos fatores)

Mas é realmente muito mais eficiente em termos de energia, especialmente se houver uma grande diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída, que é o seu caso aqui. O fanfarrão produzirá quase a mesma potência que a entrada (as eficiências são tipicamente de ~ 80-90%), enquanto o regulador linear terá tanta corrente quanto a entrada necessária para fornecer (o que significa que a eficiência é Vout / Vin , algo como ~ 27-44% no seu caso, o que é muito ruim).

2) Sim, essa é realmente a única razão pela qual o regulador linear pode ser uma má escolha: a eficácia (e o cálculo do calor dissipado é bom). Agora, ter tanta energia dissipada leva a dois grandes problemas:

• Você provavelmente precisará de um dissipador de calor (verifique a folha de dados do regulador linear: em algo mais que 1 W, você precisará verificar cuidadosamente, mesmo no pacote TO-220. Ao usar pacotes menores, isso geralmente não é possível). Portanto, isso nega o inconveniente "mais espaço no PCB" dos reguladores dinâmicos.

• Se você usa baterias, isso significa muito menos tempo de execução. Às vezes, você não pode pagar (faça o cálculo).

3) Provavelmente não, se você usar soluções integradas padrão para fazer a revisão. Eles são feitos para fornecer energia aos chips IC, e as notas de aplicação / folha de dados do controlador / regulador que você escolher deverá fornecer algumas informações sobre a quantidade de ruído que você obterá. Mas para a operação digital, o ruído de fornecimento não costuma ser um problema.

4) Dada a enorme diferença nas tensões de entrada / saída, a corrente necessária e o fato de você funcionar parcialmente com baterias, parece uma opção lógica arriscar. Mas você precisa verificar tudo isso sozinho. Talvez no seu caso seja aceitável ter um enorme TO-220 dissipando 1,3 W em seu gabinete, e o tempo de execução necessário não seja tão alto.

Se você gosta de dinheiro, eis o que posso sugerir:

• Uma solução é optar por um módulo completo. Você não precisa criar nada. Verifique a mouser / digikey, eles têm conversores DC-DC que você pode soldar no seu PCB como um regulador linear. Se você é do tipo aliexpress / ebay, provavelmente encontrará muitas coisas baratas lá também.
• Você pode criar o seu próprio (assustador, eu sei ... uau, um indutor!). O que posso sugerir neste caso é dar uma olhada nas ferramentas fornecidas pelos vários fabricantes (por exemplo, TI webench, mas a tecnologia Linear também tem uma ...). Você apenas fornece a eles seus requisitos (tensão de entrada / saída, corrente, ...) e apresenta muitos projetos possíveis (você verá que alguns deles são realmente muito simples) com chips diferentes do catálogo. Todos os valores passivos dos componentes já estão calculados para você e até sugerem números de peça para o indutor, etc ... Portanto, basta verificar o layout da placa de circuito impresso recomendado na documentação para projetar sua placa, comprar as peças, soldar, e deve funcionar.

1) O SMPS é mais eficaz na conversão de energia, mas é mais barulhento por causa da troca. O regulador linear desperdiça energia proporcional à diferença na tensão de entrada e saída, mas opera com baixo ruído.

2) Depende se você pode ou não dissipar 1,3 W - apenas o designer (você) pode saber disso. 1.3W pode ser uma grande quantidade de energia para um IC pequeno, então você pode precisar de um dissipador de calor.

3) Diferentes frequências de comutação produzem ruído em diferentes faixas de frequência. Somente o designer (você) pode saber se isso será um problema. Você deve seguir um projeto de referência para o MCU específico para garantir que a ondulação da tensão de entrada seja aceitavelmente baixa.

4) Depende de como as compensações são ponderadas para a aplicação específica. Um não pode ser objetivamente melhor que o outro. É quase sempre um trade-off em engenharia.

1. Qual é a diferença no uso do conversor buck vs regulador linear linear

Explicação muito minimalista:

SMPS

Um SMPS (fonte de alimentação comutada, por exemplo, Buck) compara basicamente a tensão de saída a uma determinada referência. Se a tensão de saída estiver acima da referência, o regulador basicamente corta a conexão entre entrada e saída. Se a tensão de saída estiver abaixo da referência, a entrada e a saída estão conectadas. A capacitância e a indutância de saída são usadas para armazenar energia no lado de saída e suavizar a tensão de saída.

benefícios : Eficiência e, portanto, dissipação de energia (-> calor), porque os interruptores estão fechados (sem corrente -> sem dissipação de energia) ou abertos (estado de menor resistência -> dissipação mínima de energia).

desvantagens : peças adicionais (geralmente um desvio de tensão, indutância, capacitância e talvez um cordão de ferrite para supressão de ruído) e aumento do preço (dispositivo em si e peças adicionais).

Linear

Ao contrário de um SMPS, um regulador linear não usa um transistor como interruptor (ligado / desligado), mas no modo linear (qualquer estado entre ativado e desativado também é permitido). Isso leva ao aumento da dissipação de energia, como você pode imaginar o transistor como um resistor regulado que está sendo ajustado para uma queda de tensão de Vin-Vout.

benefícios : barato; fácil; menos / nenhum ruído devido a nenhuma comutação, pode precisar apenas de uma desvantagem de capacitância : eficiência, especialmente em carga alta;

2. O regulador linear (pacotes pequenos) seria uma péssima idéia, porque aqueceria bastante porque há uma grande diferença de tensão (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3W)?

Eu responderia isso com sim. Se você der uma olhada aqui e considerar valores como os do capítulo 6.4, por exemplo, nesta folha de dados , verá que a resistência térmica ultrapassa facilmente 100 ° C / W (o que significa: um aumento de temperatura de 100 ° C para dissipação de energia de 1W). Eu acho que ter isso em um gabinete pequeno não funcionará, mesmo com um dissipador de calor (pequeno, porque pequeno pacote) e muita área de cobre em sua PCB determinada para refrigeração (para que você não possa se beneficiar do pacote pequeno) )

Como regra geral, normalmente uso um regulador linear se precisar de correntes muito baixas (apenas alguns mA no máximo), queda de tensão muito pequena (1..2V) e / ou tensão de alimentação super limpa para um ADC ou outro analógico peças. Significa que, na maioria dos casos, eu prefiro usar o SMPS. Normalmente, são necessárias mais peças (mais tampas, resistores, indutância), por isso é uma solução mais cara e 'complicada'.

3. A frequência de comutação ou ondulação da tensão de saída (ruído) seria uma grande influência no funcionamento normal de um MCU?

Se você projetar um SMPS com base na folha de dados do dispositivo, geralmente são feitos cálculos para o ruído de ondulação esperado. Estes geralmente estão dentro de 1% da tensão de saída, o que não é problema para os sistemas digitais. Eu criei uma folha de excel ot ajudar dimensão caps etc, mas eu não sei como adicionar um anexo aqui ...

Além disso, você provavelmente deseja adicionar um limite de 10..100nF a cada entrada de alimentação do MCU e manter os traços de Cap a MCU curtos para minimizar a ondulação observada pelos pinos de alimentação.

4. Conclusão, qual é a melhor maneira de alimentá-lo com tensões de entrada entre 6V e 12V?

Como você precisa de um grande passo de tensão, mais do que alguns mA e não mencionou nenhum requisito especial em relação ao ruído (para material analógico), eu usaria um SMPS.

Não há melhor maneira! Tudo é uma pechincha.

Geralmente, as fontes de alimentação de modo de comutação têm melhor eficiência que as fontes de energia lineares. No entanto, eles são muito mais barulhentos que suas contrapartes. Isso pode ser crítico para circuitos de precisão.

Usar o regulador linear como pós-regulação para suprimentos de energia no modo switch é bom, pois isso satisfaz dois fatores: eficiência, baixo ruído. Mas, novamente, tudo é uma pechincha! Isso introduz mais custo de BOM e mais espaço na placa!

1. Qual é a diferença ...

Eles diferem de seus princípios de trabalho. Por favor, use o Google!

2. Regulador linear seria ...

Talvez isso dependa do seu design.

3. ...

Geralmente não, se os pinos da fonte de alimentação foram dissociados. Isso pode ser um problema com materiais analógicos (ADC, DAC, ...)

4. ...

Eu não posso responder isso.

Os conversores Buck são mais barulhentos e caros devido a componentes externos e de comutação como o indutor (normalmente você não pode integrar isso no IC, mas outros externos podem ser integrados para correntes menores). O ruído geralmente não é um problema para os circuitos digitais (que geram seu próprio ruído no trilho de suprimento), mas pode ser demais para o analógico. Dependendo da quantidade de energia necessária, um SMPS também pode ser menor, pois a alta eficiência significa menos energia dissipada (o indutor pode ser menor que o dissipador de calor).

Conversores lineares geralmente são mais baratos e, para potências mais baixas, também pode ser menor se forem usados ​​poucos componentes externos, mas pode exigir um dissipador de calor para potências maiores.

Também existe a opção de usar um resistor e um Zener, mas isso geralmente nem é considerado porque o Zener consome energia, mesmo que o MCU não consiga (por exemplo, durante o sono / espera), mas pode ser uma opção viável se seu desenho atual é relativamente constante.

A seleção da fonte de alimentação é uma compensação: você precisa equilibrar seu orçamento, tamanho e ruído. Como você está possivelmente caindo de 12 V para 3,3 V, seus requisitos térmicos geralmente dominam, o que geralmente indica um conversor de buck. No entanto, se o seu aplicativo usar muito o ADC, a menos que você possa ter uma referência de tensão externa, pode ser vantajoso usar um conversor linear, mesmo para tamanhos maiores. Então, se seu orçamento permitir, você também pode usar os dois : você pode usar um conversor buck para cair de 12 / 7,4V para 5 ou 4 V e, em seguida, usar um linear para ir para 3,3 V. Isso permitirá uma queda menor na o regulador linear, possivelmente evitando problemas térmicos.

O SMPS fornecerá uma solução mais cara para a energia interna do MCU.
Os Reguladores Lineares, em vez disso, repercutem em DACs menos barulhentos e os de Switching, em computação mais estável.
A fonte de alimentação comutada compensará os cálculos de comutação rápida do MCU. Em vez disso, você tenta reguladores lineares que podem fornecer qualidade DAC equitativa, mas às custas de chances mais altas de seu MCU.

Em relação a uma conclusão: os reguladores lineares costumam ser conectados ao MCU, que fornece um reset no cão de guarda pendurado.
A troca é muito mais cara, mas as demandas são relevantes para cada aplicativo.
Você já pode preferir comprar um módulo SMPS que seja facilmente adaptável a qualquer necessidade.