Лучший способ питания микроконтроллера, SMPS против линейного регулятора

Я использую адаптер 12 В и литий-ионную батарею 2S 7,4 В для питания моей электроники, и я также хотел бы питать от нее свой MCU. Для переключения между адаптером и аккумулятором я использую BQ24133 от TI.

Я буду использовать микроконтроллер STM32L4 и некоторые другие компоненты, которые используют 3,3 В на специальной плате. Все вместе на 3V3 использует до 150 мА в режиме полной работы.

Я ищу лучшее / самое дешевое решение.

1. Чем отличается использование понижающего преобразователя от линейного линейного регулятора для питания MCU?

2. Может быть, линейный регулятор (небольшие пакеты) будет плохой идеей, потому что он сильно нагревается, потому что есть большая разница в напряжении (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 Вт)?

3. Будет ли частота переключения или пульсация выходного напряжения (шум) иметь большое влияние на нормальную работу MCU?

4. Вывод, как лучше всего запитать его при входном напряжении от 6 до 12 В?

Спасибо за ваше терпение и ваши ответы.

Спасибо за все ваши ответы. Вы все были очень полезны. До сих пор я использовал линейный для своих проектов, но я думаю, что теперь я мог бы пойти на попятную. Если вы хотите узнать причину, по которой я это спросил, и посмотреть, что я делаю, перейдите по этой ссылке

1) Бак-конвертер это:

• дороже, чем линейный регулятор
• занимает обычно больше места на печатной плате
• дизайн обычно сложнее (иногда немного больше, иногда гораздо больше)
• более шумный (хотя уровень шума зависит от множества факторов)

Но это действительно намного более энергоэффективно, особенно если есть большая разница между входным напряжением и выходным напряжением, как в данном случае. Бак будет выдавать почти ту же мощность, что и на входе (КПД, как правило, ~ 80-90%), в то время как линейный регулятор будет потреблять столько же тока, сколько требуется на вход (что означает, что КПД равен Vout / Vin). что-то вроде ~ 27-44% в вашем случае, что очень плохо).

2) Да, это на самом деле единственная причина, по которой линейный регулятор может быть плохим выбором: эффективность (и ваши вычисления рассеянного тепла в порядке). Теперь, когда такая большая мощность рассеивается, возникает две большие проблемы:

• Вам, вероятно, понадобится радиатор (проверьте технические характеристики линейного регулятора: при мощности более 1 Вт необходимо тщательно проверять даже в упаковке TO-220. При использовании небольших упаковок это часто вообще невозможно). Таким образом, это сводит на нет неудобства регуляторов «больше места на печатной плате».

• Если вы работаете на батарейках, это означает, что время работы намного меньше. Иногда вы не можете себе этого позволить (сделайте расчет).

3) Скорее всего нет, если вы используете стандартные интегрированные решения, чтобы уйти в отставку. Те из для питания интегральных микросхем, а также примечания технического описания / Применения понижающего регулятора / регулятора вы выбираете , должно дать вам некоторую информацию о количестве шума вы получите. Но для цифровой работы шум питания обычно не является большой проблемой.

4) Учитывая огромную разницу во входных / выходных напряжениях, ток, который вам нужен, и тот факт, что вы частично работаете от батарей, кажется логичным выбором пойти на попятную. Но вам нужно перепроверить все это самостоятельно. Может быть, в вашем случае допустимо иметь огромный TO-220, рассеивающий 1,3 Вт в вашем корпусе, а необходимое вам время работы не так уж велико.

Если вы идете за доллар, вот что я могу предложить:

• Одно решение состоит в том, чтобы пойти для полного модуля. Тогда вам не нужно ничего проектировать. Проверьте mouser / digikey, у них есть DC-DC преобразователи, которые вы можете просто припаять к вашей плате, как линейный регулятор. Если вы парень типа aliexpress / ebay, вы наверняка найдете там много дешевых вещей.
• Вы можете создать свой собственный (страшно, я знаю ... вау, индуктор!). Что я могу предложить в этом случае, так это взглянуть на инструменты, предоставляемые различными производителями (например, TI webench, но есть и у Linear, ...). Вы просто предоставляете им свои требования (входное / выходное напряжение, ток и т. Д.), И это выделяет множество возможных конструкций (вы увидите, что некоторые из них на самом деле очень простые) с разными чипами из их каталога. Все значения пассивных компонентов уже рассчитаны для вас, и они даже предлагают вам номера деталей для индуктора и т. Д. Так что вам просто нужно проверить рекомендованную схему печатной платы в документации, чтобы спроектировать вашу плату, купить детали, припой, и это должно работать.

1) SMPS более эффективен при преобразовании энергии, но более шумный из-за переключения. Линейный регулятор расходует энергию, пропорциональную разности входного и выходного напряжения, но работает с низким уровнем шума.

2) Зависит от того, можете ли вы рассеивать 1,3 Вт - это может знать только дизайнер (вы). 1,3 Вт может потреблять много энергии для небольшой микросхемы, поэтому вам может потребоваться радиатор.

3) Различные частоты переключения создают помехи на разных частотных диапазонах. Только дизайнер (вы) может знать, будет ли это проблемой. Вы должны следовать эталонному дизайну для конкретного MCU, чтобы обеспечить приемлемо низкую пульсацию входного напряжения.

4) Зависит от того, как взвешены компромиссы для конкретного приложения. Одно не может быть объективно лучше другого. Это почти всегда компромисс в разработке.

1. В чем разница в использовании понижающего преобразователя по сравнению с линейным линейным регулятором

Очень минималистичное объяснение:

SMPS

SMPS (импульсный источник питания, например, Buck) в основном сравнивает выходное напряжение с заданным заданием. Если выходное напряжение выше эталонного значения, регулятор в основном прерывает соединение между входом и выходом. Если выходное напряжение ниже эталона, вход и выход подключены. Выходная емкость и индуктивность используются для накопления энергии на выходной стороне и сглаживания выходного напряжения.

Преимущества : Эффективность и, следовательно, рассеиваемая мощность (-> тепло), потому что переключатели либо замкнуты (нет тока -> рассеивается мощность), либо разомкнуты (состояние с самым низким сопротивлением -> минимальное рассеивание мощности).

минусы : дополнительные детали (обычно делитель напряжения, индуктивность, емкость и, возможно, ферритовый шарик для подавления шума) и повышенная цена (само устройство и дополнительные детали).

линейный

В отличие от SMPS, линейный регулятор не использует транзистор в качестве переключателя (вкл / выкл), но в линейном режиме (также допускается любое состояние между включением и выключением). Это приводит к увеличению рассеиваемой мощности, поскольку вы можете представить транзистор как регулируемый резистор, который настраивается на падение напряжения Vin-Vout.

преимущества : дешево; легко; меньше / нет шума из-за отсутствия переключения, может потребоваться только недостаток емкости : эффективность, особенно при высокой нагрузке;

2. Будет ли линейный регулятор (небольшие пакеты) плохой идеей, потому что он сильно нагревается из-за большой разницы в напряжении (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 Вт)?

Я бы ответил на это да. Если вы посмотрите здесь и рассмотрите значения, подобные тем, которые приведены в главе 6.4, например, в этой таблице, вы увидите, что тепловое сопротивление легко превышает 100 ° C / Вт (что означает: повышение температуры на 100 ° C для рассеивания мощности 1 Вт). Я думаю, что это в маленьком корпусе не сработает, даже с радиатором (небольшого размера, потому что маленький корпус) и большим количеством медной области на вашей печатной плате, предназначенной для охлаждения (так что вы не сможете извлечь выгоду из небольшого пакета вообще ).

Как правило, я обычно использую линейный регулятор, если мне нужны очень низкие токи (всего несколько мА при макс.), Очень небольшое падение напряжения (1,2 В) и / или сверхчистое напряжение питания для АЦП или другого аналога. частей. Значит, в большинстве случаев я предпочитаю использовать SMPS. Для этого обычно требуется больше деталей (больше колпачков, резисторов, индуктивности), поэтому это более дорогое и «сложное» решение.

3. Будет ли частота переключения или пульсация выходного напряжения (шум) сильно влиять на нормальную работу MCU?

Если вы разрабатываете SMPS на основе таблицы данных устройств, обычно приводятся расчеты ожидаемого пульсационного шума. Обычно они находятся в пределах 1% от выходного напряжения, что не является проблемой для цифровых систем. Я создал лист Excel, не ограничиваю размеры и т.д., но я не знаю, как добавить вложение здесь ...

Кроме того, вы, вероятно, захотите добавить 10,100 нФ ограничение на каждый вход питания MCU и сделать следы от Cap до MCU короткими, чтобы минимизировать пульсации, видимые контактами питания.

4. Вывод, как лучше всего запитать его напряжением на входе от 6 до 12 В?

Поскольку вам нужен большой шаг напряжения, больше нескольких мА, и не было никаких особых требований к шуму (для аналоговых устройств), я бы выбрал SMPS.

Нет лучшего способа! Все это сделка.

Как правило, источники питания в режиме переключения имеют лучшую эффективность, чем линейные источники питания. Тем не менее, они намного шумнее, чем их коллега. Это может иметь решающее значение для точности схем.

Использование линейного регулятора в качестве пострегулирования для источников питания с переключением режимов хорошо, так как это удовлетворяет двум факторам: эффективности, низкому уровню шума. Но, опять же, все это сделка! Это увеличивает стоимость спецификации и больше места на плате!

1. В чем разница ...

Они отличаются от их принципа работы. Пожалуйста, используйте Google!

2. Был бы линейный регулятор ...

Возможно, это зависит от вашего дизайна.

3. ...

Обычно нет, если контакты блока питания отсоединены. Это может быть проблемой с аналоговыми устройствами (АЦП, ЦАП, ...)

4. ...

Я не могу ответить на это.

Бак преобразователи более шумные и дорогие из-за переключения и внешних компонентов, таких как индуктор (обычно вы не можете интегрировать это в ИС, но другие внешние могут быть интегрированы для меньших токов). Шум обычно не является проблемой для цифровых цепей (которые генерируют собственный шум в шине питания), но может быть слишком большим для аналоговых. В зависимости от необходимого количества мощности SMPS также может быть меньше, поскольку высокая эффективность будет означать меньшую рассеиваемую мощность (индуктор может быть меньше, чем радиатор).

Линейные преобразователи обычно дешевле и для более низких мощностей могут также быть меньше, если используется небольшое количество внешних компонентов, но для большей мощности может потребоваться радиатор.

Существует также возможность использования резистора и стабилитрона, но обычно это даже не учитывается, поскольку стабилитрон будет потреблять энергию, даже если MCU не будет (например, во время сна / ожидания), но это может быть жизнеспособным вариантом, если Ваша текущая ничья относительно постоянна.

Выбор источника питания является компромиссом: вы должны сбалансировать свой бюджет, размер и шум. Поскольку вы, возможно, падаете с 12 В до 3,3 В, ваши тепловые требования обычно будут доминировать, что обычно указывает на понижающий преобразователь. Однако, если ваше приложение сильно использует АЦП, если вы не можете иметь внешний источник опорного напряжения, это может быть выгодно использовать линейный преобразователь, даже для больших размеров. Затем, если позволяет ваш бюджет, вы также можете использовать оба варианта : вы можете использовать понижающий преобразователь для снижения с 12 / 7,4 В до 5 или 4 В, а затем использовать линейное для перехода к 3,3 В. Это позволит уменьшить падение линейный регулятор, возможно, избегая тепловых проблем.

SMPS предоставит вам более дорогое решение для внутреннего питания MCU.
Вместо этого линейные регуляторы работают в менее шумных ЦАП и переключаются в более стабильных вычислениях.
Импульсный источник питания компенсирует быстрые вычисления MCU. Вместо этого вы стараетесь, чтобы линейные регуляторы могли обеспечить справедливое качество ЦАП, но за счет более высоких шансов ваш MCU зависнет.

Что касается вывода: линейные регуляторы часто снабжены микроконтроллером, который обеспечивает сброс при зависании.
Переключение намного дороже, но требования актуальны для каждого приложения.
Возможно, вы уже предпочитаете покупать модули SMPS, которые легко адаптируются к любым потребностям.