Найкращий спосіб живлення мікроконтролера - SMPS проти лінійного регулятора

Я використовую 12В адаптер і 2S 7.4V літій-іонний акумулятор для живлення електроніки, і я також хотів би живити свій MCU за допомогою нього. Для переключення між адаптером і акумулятором я використовую BQ24133 від TI.

Я буду використовувати MC-модуль STM32L4 та деякі інші компоненти, які використовують 3.3V на спеціальній друкованій платі. Все разом на 3V3 використовує до 150 мА в повному режимі роботи.

Я шукаю найкраще / найдешевше рішення.

1. Чим відрізняється використання перетворювача долара від лінійного лінійного регулятора для живлення MCU?

2. Чи буде лінійний регулятор (невеликі пакети) поганою ідеєю, тому що він сильно нагріється, оскільки велика різниця у напрузі (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 Вт)?

3. Чи частота перемикання або пульсація вихідної напруги (шум) мали б великий вплив на нормальну роботу MCU?

4. Висновок, який найкращий спосіб живити його за допомогою вхідних напруг між 6 В та 12 В?

Дякую за терпіння та ваші відповіді.

Дякую за всі ваші відповіді. Ви всі були дуже корисні. До сих пір я використовував лінійну для своїх проектів, але думаю, що зараз я міг би подолати. Якщо ви хочете слідкувати за причиною, про яку я запитав це, і подивіться, що я роблю, перейдіть за цим посиланням

1) Бак-конвертер:

• дорожче лінійного регулятора
• займає зазвичай більше місця на друкованій платі
• зазвичай важче розробити (іноді, трохи більше, іноді набагато більше)
• шумніше (хоч кількість шуму залежить від багатьох факторів)

Але це набагато ефективніше енергоресурси, особливо якщо велика різниця вхідної напруги проти вихідної напруги, що є вашим випадком тут. Долар буде виводити майже таку ж потужність, що і на вході (ефективність зазвичай становить ~ 80-90%), тоді як лінійний регулятор буде приймати стільки струму, скільки вхідного потрібно (що означає, що ефективність Vout / Vin , щось на зразок ~ 27-44% у вашому випадку, що дуже погано).

2) Так, це насправді єдина причина, по якій лінійний регулятор може бути поганим вибором: ефективність (і ваш обчислення тепловіддачі - це нормально). Тепер, коли розсіяна стільки потужності, призводить до двох великих проблем:

• Ймовірно, вам знадобиться радіатор (перевірте аркуш лінійного регулятора: при чому більше 1 Вт потрібно ретельно перевірити навіть у пакеті TO-220. При використанні менших пакетів це взагалі неможливо). Таким чином, це заперечує "більше місця на друкованій платі", незручне для регуляторів долара.

• Якщо ви працюєте на батареях, це означає набагато менше часу виконання. Іноді ви не можете собі цього дозволити (зробіть обчислення).

3) Швидше за все, якщо ви не використовуєте стандартні інтегровані рішення, щоб зробити цей крок. Вони створені для забезпечення живлення мікросхемами ІС, а нотатки даних / додатків випадаючого контролера / регулятора, який ви виберете, повинні дати вам інформацію про кількість шуму, який ви отримаєте. Але для цифрових операцій шум подачі зазвичай не є великою проблемою.

4) Враховуючи величезну різницю в напрузі введення / виходу, необхідний вам струм і те, що ви частково працюєте на батареях, здається, логічним вибором є долар. Але вам потрібно ще раз перевірити все це. Можливо, у вашому випадку допустимо, щоб у вашому корпусі був величезний потужність 1,3 Вт, що розсіюється 1,3 Вт, а необхідний час виконання не такий високий.

Якщо ви хочете отримати гроші, ось що я можу запропонувати:

• Одним із варіантів є пошук повного модуля. Тоді вам нічого не потрібно проектувати. Перевірте mouser / digikey, у них є постійні перетворювачі постійного струму, які можна просто припаяти до друкованої плати, як лінійний регулятор. Якщо ви хлопець aliexpress / ebay, ви, ймовірно, знайдете там і багато дешевих речей.
• Ви можете створити свій власний (страшно, я знаю ... вау, індуктор!). Що я можу запропонувати в цьому випадку - це ознайомитися з інструментами різних виробників (наприклад, TI webench, але лінійна технологія теж є ...). Ви просто постачаєте їм свої вимоги (напруга вводу / виходу, струм, ...), і це випльовує безліч можливих конструкцій (ви побачите, що деякі з них насправді дуже прості) з різними мікросхемами з їх каталогу. Усі значення пасивного компонента вже розраховані для вас, і вони навіть пропонують вам номери деталей для індуктора тощо. Тому вам просто потрібно перевірити рекомендовану схему друкованої плати з документації, щоб створити плату, придбати деталі, паяти, і це має працювати.

1) SMPS є більш ефективним у перетворенні енергії, але більш шумно через комутацію. Лінійний регулятор витрачає потужність, пропорційну різниці вхідної та вихідної напруги, але працює з низьким рівнем шуму.

2) Залежить від того, чи можна розсіяти 1,3 Вт - це може знати лише дизайнер (ви). 1,3 Вт може мати велику потужність для невеликого ІС, тому вам може знадобитися радіатор.

3) Різні частоти комутації створюють шум у різних діапазонах частот. Тільки дизайнер (ви) може знати, чи це буде проблемою. Вам слід дотримуватися довідкової конструкції для конкретного MCU, щоб переконатися, що пульсація напруги на вході є низькою.

4) Залежить від того, як зважуються компроміси для конкретного застосування. Одне не може бути об'єктивно кращим, ніж інше. Це майже завжди є компромісом у галузі техніки.

1. Яка різниця у використанні перетворювача долара проти лінійного лінійного регулятора

Дуже мінімалістичне пояснення:

SMPS

SMPS (джерело живлення в режимі комутації, наприклад Buck) в основному порівнює вихідну напругу з заданою еталонною. Якщо напруга на виході вище опорної, регулятор в основному перериває з'єднання між входом і виходом. Якщо напруга на виході нижче опорного, вхід і вихід підключаються. Вихідна ємність та індуктивність використовуються для накопичення енергії на вихідній стороні та згладжування вихідної напруги.

переваги : Ефективність і, отже, розсіювання енергії (-> тепло), оскільки вимикачі або закриті (відсутність струму -> відсутність розсіювання потужності), або відкриті (стан найнижчого опору -> мінімальне розсіювання потужності).

недоліки : додаткові деталі (як правило, подільник напруги, індуктивність, ємність і, можливо, феритова бусинка для придушення шуму) та підвищення ціни (сам пристрій та додаткові деталі).

Лінійний

На відміну від SMPS лінійний регулятор не використовує транзистор як перемикач (увімкнення / вимкнення), але в лінійному режимі (допускається також будь-який стан між ввімкненням і вимкненням). Це призводить до посилення розсіювання потужності, оскільки ви можете уявити транзистор як регульований резистор, який регулюється для падіння напруги Vin-Vout.

переваги : дешево; легкий; менше / відсутність шуму з - за відсутності перемикання, можливо , буде потрібно тільки ємність недоліки : ефективність, особливо на високому навантаженні;

2. Чи був би лінійний регулятор (невеликі пакети) поганою ідеєю, оскільки він нагрівався б багато, оскільки велика різниця у напрузі (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 Вт)?

Я відповів би на це так. Якщо ви подивитесь тут і розглянете такі величини, як значення, наведені у главі 6.4, наприклад, у цьому аркуші ви побачите, що тепловий опір легко переходить за 100 ° C / W (мається на увазі: підвищення температури 100 ° C при розсіюванні потужності 1 Вт). Я думаю, що у цьому випадку у невеликій справі не вийде працювати, навіть якщо (невеликий, тому що невеликий пакет) нагрівач і багато мідної площі на вашій платі визначено для охолодження (тож ви не зможете скористатися цим маленьким пакетом взагалі ).

Як правило, я зазвичай використовую лінійний регулятор, якщо мені потрібні дуже низькі струми (всього кілька мА при макс.), Дуже малий перепад напруги (1..2В) та / або надчисте напруга живлення для АЦП або іншого аналога частини. Значить, у більшості випадків я вважаю за краще використовувати SMPS. Зазвичай їм потрібно більше деталей (більше ковпачків, резисторів, індуктивності), тож це більш дороге і «складне» рішення.

3. Чи буде частота комутації чи пульсація вихідної напруги (шум) чимало впливають на нормальну роботу MCU?

Якщо ви проектуєте SMPS на основі аркуша даних пристроїв, зазвичай проводяться розрахунки очікуваного пульсаційного шуму. Зазвичай вони знаходяться в межах 1% від вихідної напруги, що не є проблемою для цифрових систем. Я створив аркуш "excel" з кришкою розмірів тощо, але я не знаю, як додати вкладення сюди ...

Також, ймовірно, ви хочете додати шапку 10..100nF до кожного входу MCU, а сліди від Cap до MCU короткі, щоб мінімізувати пульсацію, яку бачили штифти живлення.

4. Висновок, який найкращий спосіб живити його за допомогою вхідних напруг між 6 В та 12 В?

Оскільки вам потрібен великий крок напруги, більше декількох мА і не згадую про якісь особливі вимоги щодо шуму (для аналогових матеріалів), я б пішов з SMPS.

Немає найкращого способу! Все - угода.

Як правило, джерела живлення в режимі комутації мають кращу ефективність, ніж лінійні живлення. Однак вони значно шумніші, ніж їх зустрічна частина. Це може бути критично важливим для схеми точності.

Використання лінійного регулятора в якості пострегуляції для живлення в режимі комутації добре, оскільки це задовольняє 2 фактору: ефективність, низький рівень шуму. Але, знову ж таки, все - угода! Це дає більше витрат на BOM та більше місця на борту!

1. Яка різниця ...

Вони відрізняються від свого принципу роботи. Будь ласка, використовуйте Google!

2. Буде лінійний регулятор ...

Можливо, це залежить від вашого дизайну.

3. ...

Зазвичай немає, якщо штифти живлення були роз'єднані. Це може бути проблема з аналоговими продуктами (ADC, DAC, ...)

4. ...

Я не можу відповісти на це.

Перетворювачі Buck є більш галасливими і дорогими через комутацію та такі зовнішні компоненти, як індуктор (зазвичай ви не можете інтегрувати це в ІМС, але інші зовнішні пристрої можуть бути інтегровані для менших струмів). Шум, як правило, не є проблемою для цифрових мікросхем (які генерують власний шум у шині подачі), але може бути занадто великим для аналогових. Залежно від необхідної потужності, SMPS також може бути меншим, оскільки високий ККД буде означати меншу розсіювану потужність (індуктор може бути меншим, ніж радіатор).

Лінійні перетворювачі зазвичай дешевші, а для менших потужностей вони також можуть бути меншими, якщо використовується декілька зовнішніх компонентів, але може знадобитися радіатор для більшої потужності.

Існує також можливість використання резистора і Zener, але це зазвичай навіть не враховується, оскільки Zener буде споживати енергію, навіть якщо MCU не буде (наприклад, під час сну / очікування), але це може бути життєздатним варіантом, якщо у вас нинішній розіграш відносно постійний.

Вибір джерела живлення є вигідним: ви повинні збалансувати свій бюджет, розмір та рівень шуму. Оскільки ви, можливо, знижуєтеся з 12 В до 3,3 В, зазвичай ваші теплові вимоги домінують, що зазвичай вказує на перетворювач долара. Однак якщо ваша програма широко використовує АЦП, якщо ви не маєте зовнішньої посилання на напругу, може бути вигідним використовувати лінійний перетворювач навіть для більших розмірів. Тоді, якщо ваш бюджет дозволяє, ви також можете використовувати обидва : ви можете скористатися перетворювачем доларів, щоб знизитися з 12 / 7,4 В до 5 або 4 В, а потім використовувати лінійний перехід до 3,3 В. Це дозволить зменшити менше лінійний регулятор, можливо, уникаючи теплових проблем.

SMPS надасть вам більш дороге рішення для внутрішнього живлення MCU.
Лінійні регулятори замість цього здійснюють переосмислення в менш галасливих ЦАПі ​​та перемиканні на більш стабільні обчислення.
Перемикання джерела живлення компенсує швидкі обчислення комутації MCU. Натомість ви намагаєтесь лінійні регулятори можуть забезпечити справедливу якість ЦАП, але за рахунок більш високих шансів ваш MCU зависне.

Щодо висновку: лінійні регулятори часто підключаються до MCU, які забезпечують скидання на сторожовій стороні.
Перемикання набагато дорожче, але вимоги стосуються кожної програми.
Ви вже можете віддати перевагу придбанню модулів SMPS, які легко адаптуються до будь-яких потреб.