La mejor manera de alimentar un microcontrolador, SMPS vs Linear Regulator

Estoy usando un adaptador de 12V y una batería de iones de litio 2S 7.4V para alimentar mi electrónica, y también me gustaría alimentar mi MCU con ella. Para cambiar entre el adaptador y la batería, estoy usando un BQ24133 de TI.

Usaré una MCU STM32L4 y algunos otros componentes que usan 3.3V en una PCB personalizada. Todo junto en 3V3 usa hasta 150 mA cuando está en modo de operación completa.

Estoy buscando la mejor / más barata solución.

1. ¿Cuál es la diferencia de usar convertidor reductor versus regulador lineal lineal para alimentar una MCU?

2. ¿Sería una mala idea un regulador lineal (paquetes pequeños) porque se calentaría mucho porque hay una gran diferencia de voltaje (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

3. ¿La frecuencia de conmutación o la fluctuación del voltaje de salida (ruido) sería una gran influencia en el funcionamiento normal de una MCU?

4. Conclusión, ¿cuál es la mejor manera de alimentarlo con los voltajes de entrada entre 6V y 12V?

Gracias por su paciencia y sus respuestas.

Gracias por todas tus respuestas. Todos ustedes fueron muy útiles. Hasta ahora, utilizaba lineal para mis proyectos, pero creo que ahora podría irme. Si quieres seguir la razón por la que pregunté esto, y ver lo que estoy haciendo, sigue este enlace

1) El convertidor Buck es:

• más caro que un regulador lineal
• normalmente ocupa más espacio en el PCB
• es típicamente más difícil de diseñar (a veces, solo un poco más, a veces mucho más)
• es más ruidoso (sin embargo, la cantidad de ruido depende de muchos factores)

Pero, de hecho, es mucho más eficiente energéticamente, especialmente si hay una gran diferencia en el voltaje de entrada frente al voltaje de salida, que es su caso aquí. La inversión generará casi la misma potencia que la que toma en la entrada (las eficiencias son típicamente ~ 80-90%), mientras que el regulador lineal tomará tanta corriente como la entrada que necesita para suministrar (lo que significa que la eficiencia es Vout / Vin , algo así como ~ 27-44% en su caso, lo cual es muy malo).

2) Sí, esta es en realidad la única razón por la cual el regulador lineal puede ser una mala elección: la eficiencia (y su cálculo del calor disipado está bien). Ahora, tener tanto poder disipado conduce a dos grandes problemas:

• Probablemente necesitará un disipador de calor (consulte la hoja de datos del regulador lineal: a más de 1 W, debe verificar cuidadosamente incluso en el paquete TO-220. Cuando se usan paquetes más pequeños, a menudo no es posible). Entonces esto niega el inconveniente de "más espacio en PCB" de los reguladores de inversión.

• Si funciona con baterías, significa mucho menos tiempo de ejecución. A veces, no puedes permitírtelo (haz el cálculo).

3) Lo más probable es que no, si utiliza soluciones integradas estándar para dar el paso hacia abajo. Estos están hechos para proporcionar energía a los chips IC, y las notas de la hoja de datos / aplicación del controlador / regulador reductor que elegirá deberían brindarle información sobre la cantidad de ruido que obtendrá. Pero para la operación digital, el ruido de suministro no suele ser un gran problema.

4) Dada la gran diferencia en los voltajes de entrada / salida, la corriente que necesita y el hecho de que funcionará en parte con baterías, parece una opción lógica ir por un dólar. Pero debe verificar todo eso usted mismo. Tal vez en su caso es aceptable tener un enorme TO-220 que disipe 1.3W en su gabinete, y el tiempo de ejecución que necesita no es tan alto.

Si va por un dólar, esto es lo que puedo sugerir:

• Una solución es elegir un módulo completo. Entonces no necesitas diseñar nada. Verifique el mouse / digikey, tienen convertidores DC-DC que puede soldar a su PCB como un regulador lineal. Si eres un tipo de tipo aliexpress / ebay, probablemente también encontrarás muchas cosas baratas allí.
• Puedes diseñar el tuyo (aterrador, lo sé ... ¡guau, un inductor!). Lo que puedo sugerir en este caso es que eche un vistazo a las herramientas proporcionadas por los distintos fabricantes (por ejemplo, TI webench, pero la tecnología lineal también tiene una, ...). Simplemente les proporciona sus requisitos (voltaje de entrada / salida, corriente, ...) y escupe muchos diseños posibles (verá que algunos de ellos son realmente muy simples) con diferentes chips de su catálogo. Todos los valores de componentes pasivos ya están calculados para usted, e incluso le sugieren números de pieza para el inductor, etc. Así que solo tiene que verificar el diseño de PCB recomendado de la documentación para diseñar su placa, comprar las piezas, soldar, y debería funcionar

1) SMPS es más efectivo en la conversión de energía, pero es más ruidoso debido a la conmutación. El regulador lineal desperdicia energía proporcionalmente a la diferencia en el voltaje de entrada y salida, pero funciona con poco ruido.

2) Depende de si puede o no disipar 1.3W, solo el diseñador (usted) puede saberlo. 1.3W puede ser mucha potencia para un IC pequeño, por lo que es posible que necesite un disipador de calor.

3) Diferentes frecuencias de conmutación hacen ruido en diferentes bandas de frecuencia. Solo el diseñador (usted) puede saber si eso será un problema. Debe seguir un diseño de referencia para la MCU específica para garantizar que la ondulación del voltaje de entrada sea aceptablemente baja.

4) Depende de cómo se ponderan las compensaciones para la aplicación específica. Uno no puede ser objetivamente mejor que el otro. Casi siempre es una compensación en ingeniería.

1. ¿Cuál es la diferencia en el uso de Buck Converter vs regulador lineal lineal?

Explicación muy minimalista:

SMPS

Un SMPS (fuente de alimentación conmutada, por ejemplo, Buck) básicamente compara el voltaje de salida con una referencia dada. Si el voltaje de salida está por encima de la referencia, el regulador básicamente corta la conexión entre la entrada y la salida. Si el voltaje de salida está por debajo de la referencia, la entrada y la salida están conectadas. La capacitancia y la inductancia de salida se utilizan para almacenar energía en el lado de salida y suavizar el voltaje de salida.

beneficios : Eficiencia y, por lo tanto, disipación de potencia (-> calor) porque los interruptores están cerrados (sin corriente -> sin disipación de potencia) o abiertos (estado de resistencia más bajo -> mínima disipación de potencia).

desventajas : partes adicionales (generalmente un divisor de voltaje, inductancia, capacitancia y tal vez un cordón de ferrita para la supresión de ruido) y un mayor precio (dispositivo en sí y partes adicionales)

Lineal

A diferencia de un SMPS, un regulador lineal no utiliza un transistor como interruptor (encendido / apagado) sino en modo lineal (también se permite cualquier estado entre encendido y apagado). Esto conduce a una mayor disipación de potencia, ya que puede imaginar el transistor como una resistencia regulada que se está ajustando para una caída de voltaje de Vin-Vout.

beneficios : barato; fácil; menos / sin ruido debido a la ausencia de conmutación, podría necesitar solo una desventaja de capacitancia : eficiencia, especialmente en carga alta;

2. ¿Sería una mala idea el regulador lineal (paquetes pequeños) porque se calentaría mucho porque hay una gran diferencia de voltaje (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

Yo respondería esto con un sí. Si echa un vistazo aquí y considera valores como los del capítulo 6.4 en, por ejemplo, esta hoja de datos , verá que la resistencia térmica supera fácilmente los 100 ° C / W (lo que significa: un aumento de temperatura de 100 ° C para una disipación de potencia de 1W). Creo que tener esto en un caso pequeño no funcionará, incluso con un disipador de calor (pequeño, porque paquete pequeño) y una gran cantidad de área de cobre en su PCB determinada para enfriamiento (por lo que no podrá beneficiarse del paquete pequeño en absoluto )

Como regla general, generalmente uso un regulador lineal si necesito corrientes muy bajas (solo unos pocos mA al máximo), una caída de voltaje muy pequeña (1..2 V) y / o voltaje de suministro súper limpio para un ADC u otro análogo partes. Significa que en la mayoría de los casos prefiero usar SMPS. Por lo general, requieren más piezas (más tapas, resistencias, inductancia), por lo que es una solución más costosa y 'complicada'.

3. ¿La frecuencia de conmutación o la fluctuación del voltaje de salida (ruido) sería una gran influencia en el funcionamiento normal de una MCU?

Si diseña un SMPS basado en la hoja de datos del dispositivo, generalmente se realizan cálculos para el ruido de ondulación esperado. Estos generalmente están dentro del 1% del voltaje de salida, lo que no es un problema para los sistemas digitales. He creado una hoja de Excel para ayudar a limitar las dimensiones, etc., pero no sé cómo agregar un archivo adjunto aquí ...

También es probable que desee agregar un límite de 10..100 nF a cada entrada de suministro de la MCU y mantener las trazas de Cap a MCU cortas para minimizar la ondulación vista por los pines de alimentación.

4. Conclusión, ¿cuál es la mejor manera de alimentarlo con los voltajes de entrada entre 6V y 12V?

Como necesita un gran paso de voltaje, más de unos pocos mA y no mencionó ningún requisito especial con respecto al ruido (para cosas analógicas) iría con un SMPS.

¡No hay mejor manera! Todo es una ganga.

En general, las fuentes de alimentación en modo conmutado tienen una mejor eficiencia que las fuentes de alimentación lineales. Sin embargo, son mucho más ruidosos que su contraparte. Esto puede ser crítico para los circuitos de precisión.

Usar un regulador lineal como regulación posterior para las fuentes de alimentación conmutadas es bueno, ya que satisface 2 factores: eficiencia, bajo nivel de ruido. Pero, de nuevo, ¡todo es una ganga! ¡Esto introduce más costos de lista de materiales y más espacio en el tablero!

1. Cuál es la diferencia ...

Difieren de su principio de funcionamiento. Por favor, use el Google!

2. Regulador lineal ...

Tal vez, depende de tu diseño.

3. ...

Por lo general, no si los pines de la fuente de alimentación se han desacoplado. Esto podría ser un problema con cosas analógicas (ADC, DAC, ...)

4. ...

No puedo responder esto.

Los convertidores reductores son más ruidosos y caros debido a la conmutación y a componentes externos como el inductor (generalmente no puede integrar esto en el CI, pero otros externos pueden integrarse para corrientes más pequeñas). El ruido generalmente no es un problema para los circuitos digitales (que generan su propio ruido en el riel de suministro), pero puede ser demasiado para los analógicos. Dependiendo de la cantidad de energía que necesite, un SMPS también puede ser más pequeño ya que la alta eficiencia significará menos potencia disipada (el inductor puede ser más pequeño que el disipador térmico).

Los convertidores lineales son generalmente más baratos y para potencias más bajas también pueden ser más pequeños si se usan pocos componentes externos, pero pueden requerir un disipador térmico para potencias más grandes.

También existe la opción de usar una resistencia y Zener, pero esto generalmente ni siquiera se considera porque el Zener consumirá energía incluso si el MCU no lo hará (por ejemplo, durante el modo de reposo / espera), pero puede ser una opción viable si Su sorteo actual es relativamente constante.

La selección de la fuente de alimentación es una compensación: debe equilibrar su presupuesto, el tamaño y el ruido. Como posiblemente esté cayendo de 12 V a 3.3 V, sus requisitos térmicos generalmente dominarán, lo que generalmente indicará un convertidor reductor. Sin embargo, si su aplicación usa mucho el ADC, a menos que pueda tener una referencia de voltaje externo, puede ser ventajoso usar un convertidor lineal, incluso para tamaños más grandes. Luego, si su presupuesto lo permite, también puede usar ambos : puede usar un convertidor reductor para bajar de 12 / 7.4V a 5 o 4 V, y luego usar un lineal para ir a 3.3 V. Esto permitirá una caída menor El regulador lineal, posiblemente evitando problemas térmicos.

SMPS le proporcionará una solución más costosa para la alimentación interna de MCU.
En cambio, los reguladores lineales repercuten en un DAC menos ruidoso y los conmutadores en un cálculo más estable.
La fuente de alimentación conmutada compensará los cálculos rápidos de conmutación de MCU. En su lugar, pruebe que los reguladores lineales pueden proporcionar una calidad DAC equitativa, pero a expensas de mayores posibilidades de que su MCU se bloquee.

Con respecto a una conclusión: los reguladores lineales a menudo se conectan con MCU que proporcionan un reinicio en el watchdog hang.
El cambio es mucho más costoso, pero las demandas son relevantes para cada aplicación.
Es posible que ya prefiera comprar módulos SMPS que se adapten fácilmente a cualquier necesidad.