Cara terbaik untuk memberi daya pada mikrokontroler, SMPS vs Linear Regulator

Saya menggunakan adaptor 12V dan baterai Li-ion 2S 7.4V untuk memberi daya pada elektronik saya, dan saya juga ingin memberi daya pada MCU saya dengannya. Untuk beralih antara adaptor dan baterai saya menggunakan BQ24133 dari TI.

Saya akan menggunakan MCU STM32L4 dan beberapa komponen lain yang menggunakan 3.3V pada PCB khusus. Semuanya bersama pada 3V3 menggunakan hingga 150 mA ketika dalam mode operasi penuh.

Saya mencari solusi terbaik / termurah.

1. Apa perbedaan menggunakan buck converter vs linear linear regulator untuk memberi daya pada MCU?

2. Apakah regulator linier (paket kecil) menjadi ide yang buruk karena akan memanaskan banyak karena ada perbedaan besar pada tegangan (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

3. Apakah frekuensi switching, atau riak tegangan keluaran (noise) akan berpengaruh besar pada operasi normal MCU?

4. Kesimpulan, apa cara terbaik untuk menyalakannya dengan tegangan input antara 6V dan 12V?

Terima kasih atas kesabaran dan jawaban Anda.

Terima kasih atas semua jawaban Anda. Anda semua sangat membantu. Sampai sekarang saya menggunakan linier untuk proyek-proyek saya, tetapi saya pikir sekarang saya bisa mengatasinya. Jika Anda ingin menindaklanjuti alasan saya menanyakan ini, dan melihat apa yang saya buat, ikuti tautan ini

1) Buck converter adalah:

• lebih mahal daripada regulator linier
• Dibutuhkan lebih banyak ruang pada PCB
• biasanya lebih sulit untuk dirancang (kadang-kadang, hanya sedikit lebih, kadang-kadang jauh lebih)
• lebih berisik (jumlah kebisingan tergantung pada banyak faktor, meskipun)

Tapi itu memang jauh lebih hemat daya, terutama jika ada perbedaan besar dalam tegangan input vs tegangan output, yang merupakan kasus Anda di sini. Uang akan menghasilkan daya yang hampir sama dengan yang dibutuhkan pada input (efisiensi biasanya ~ 80-90%), sedangkan regulator linier akan mengambil sebanyak saat input yang diperlukan untuk memasok (yang berarti efisiensi adalah Vout / Vin , sekitar ~ 27-44% dalam kasus Anda, yang sangat buruk).

2) Ya, ini sebenarnya satu-satunya alasan mengapa regulator linier bisa menjadi pilihan yang buruk: efisiensi (dan perhitungan Anda dari panas yang dihilangkan baik-baik saja). Sekarang, memiliki kekuatan yang begitu besar akan menyebabkan dua masalah besar:

• Anda mungkin memerlukan heatsink (periksa lembar data dari regulator linier: pada sesuatu yang lebih dari 1W, Anda perlu memeriksa dengan cermat bahkan dalam paket TO-220. Saat menggunakan paket yang lebih kecil, seringkali tidak mungkin sama sekali). Jadi ini meniadakan "lebih banyak ruang di PCB" dari regulator buck.

• Jika Anda menggunakan baterai, itu berarti runtime jauh lebih sedikit. Terkadang, Anda tidak mampu membelinya (melakukan perhitungan).

3) Kemungkinan besar tidak, jika Anda menggunakan solusi terintegrasi standar untuk melakukan pengunduran diri. Itu dibuat untuk memberikan daya pada chip IC, dan lembar data / aplikasi dari controller / regulator step-down yang Anda pilih harus memberi Anda beberapa informasi tentang jumlah kebisingan yang akan Anda dapatkan. Tetapi untuk operasi digital, gangguan pasokan tidak terlalu menjadi masalah.

4) Mengingat perbedaan besar dalam input / output voltase, arus yang Anda butuhkan, dan fakta Anda sebagian akan berjalan pada baterai, tampaknya pilihan logis untuk menghasilkan uang. Tetapi Anda perlu memeriksa ulang semua itu sendiri. Mungkin dalam kasus Anda, dapat diterima untuk memiliki 1.3W TO-220 yang sangat besar dalam enklosur Anda, dan runtime yang Anda butuhkan tidak terlalu tinggi.

Jika Anda mencari uang, inilah yang dapat saya sarankan:

• Salah satu solusinya adalah menggunakan modul yang lengkap. Maka Anda tidak perlu merancang apa pun. Periksa mouser / digikey, mereka memiliki konverter DC-DC yang Anda bisa solder ke PCB Anda seperti regulator linier. Jika Anda seorang pria aliexpress / ebay, Anda mungkin akan menemukan banyak barang murah di sana juga.
• Anda dapat mendesain sendiri (menakutkan, saya tahu ... wow, seorang induktor!). Apa yang dapat saya sarankan dalam kasus ini adalah untuk melihat alat yang disediakan oleh berbagai produsen (misalnya TI webench, tetapi teknologi Linear juga memilikinya, ...). Anda hanya memasok mereka dengan kebutuhan Anda (tegangan input / output, arus, ...) dan mengeluarkan banyak kemungkinan desain (Anda akan melihat beberapa dari mereka sebenarnya sangat sederhana) dengan chip yang berbeda dari katalog mereka. Semua nilai komponen pasif sudah dihitung untuk Anda, dan mereka bahkan menyarankan Anda nomor bagian untuk induktor, dll ... Jadi Anda hanya perlu memeriksa tata letak PCB yang direkomendasikan dari dokumentasi untuk mendesain papan Anda, membeli bagian, solder, dan itu harus bekerja.

1) SMPS lebih efektif dalam mengubah energi, tetapi lebih berisik karena pergantian. Regulator linier memboroskan daya sebanding dengan perbedaan tegangan input dan output, tetapi beroperasi dengan noise rendah.

2) Tergantung pada apakah Anda dapat menghapus 1.3W - hanya perancang (Anda) yang dapat mengetahuinya. 1.3W bisa menjadi banyak daya untuk IC kecil, jadi Anda mungkin perlu heat-sink.

3) Frekuensi switching yang berbeda membuat noise pada band frekuensi yang berbeda. Hanya perancang (Anda) yang bisa tahu apakah itu akan menjadi masalah. Anda harus mengikuti desain referensi untuk MCU spesifik untuk memastikan riak tegangan input rendah.

4) Tergantung pada bagaimana trade-off tertimbang untuk aplikasi spesifik. Yang satu tidak bisa lebih baik secara objektif daripada yang lain. Ini hampir selalu merupakan trade-off di bidang teknik.

1. Apa perbedaan dalam menggunakan buck converter vs linear linear regulator

Penjelasan yang sangat minimalis:

SMPS

SMPS (catu daya mode sakelar, mis. Buck) pada dasarnya membandingkan tegangan keluaran dengan referensi yang diberikan. Jika tegangan output di atas referensi, regulator pada dasarnya memutus koneksi antara input dan output. Jika tegangan output di bawah referensi, input dan output terhubung. Kapasitansi dan induktansi keluaran digunakan untuk menyimpan energi pada sisi keluaran dan memperlancar tegangan keluaran.

manfaat : Efisiensi dan karenanya disipasi daya (-> panas) karena sakelar ditutup (tidak ada arus -> tidak ada disipasi daya) atau terbuka (keadaan resistansi terendah -> disipasi daya minimal).

Kelemahan : bagian tambahan (biasanya pembagi tegangan, induktansi, kapasitansi dan mungkin manik ferit untuk peredam kebisingan) dan kenaikan harga (perangkat itu sendiri dan bagian tambahan).

Linier

Tidak seperti SMPS, regulator linier tidak menggunakan transistor sebagai saklar (on / off) tetapi dalam mode linier (setiap keadaan antara on dan off diperbolehkan juga). Hal ini menyebabkan peningkatan disipasi daya, seperti yang dapat Anda bayangkan transistor sebagai resistor yang diatur yang sedang disesuaikan untuk penurunan tegangan Vin-Vout.

manfaat : murah; mudah; lebih sedikit / tidak ada noise karena tidak ada switching, mungkin hanya membutuhkan kelemahan kapasitansi : efisiensi, terutama pada beban tinggi;

2. Apakah pengatur linier (paket kecil) merupakan ide yang buruk karena akan banyak memanas karena ada perbedaan besar pada voltase (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

Saya akan menjawab ini dengan ya. Jika Anda melihat-lihat di sini dan mempertimbangkan nilai-nilai seperti yang ada pada bab 6.4 dalam contoh datasheet ini, Anda akan melihat bahwa hambatan termal dengan mudah melebihi 100 ° C / W (artinya: kenaikan temperatue 100 ° C untuk disipasi daya 1W). Saya pikir memiliki ini dalam kasus kecil tidak akan berhasil, bahkan dengan heat sink (kecil, karena paket kecil) dan banyak area tembaga pada PCB Anda ditentukan untuk pendinginan (sehingga Anda tidak akan dapat memperoleh manfaat dari paket kecil sama sekali ).

Sebagai aturan praktis saya biasanya menggunakan regulator linier jika saya membutuhkan arus yang sangat rendah (hanya beberapa mA pada maks), drop tegangan sangat kecil (1..2V) dan / atau tegangan suplai super bersih untuk ADC atau analog lainnya bagian. Berarti dalam banyak kasus saya lebih suka menggunakan SMPS. Ini membutuhkan lebih banyak bagian biasanya (lebih banyak tutup, resistor, induktansi) sehingga solusi yang lebih mahal dan 'rumit'.

3. Apakah frekuensi switching, atau riak tegangan keluaran (noise) menjadi pengaruh besar pada operasi normal MCU?

Jika Anda merancang SMPS berdasarkan lembar data perangkat biasanya ada perhitungan yang diberikan untuk kebisingan riak yang diharapkan. Ini biasanya dalam 1% dari Tegangan output yang tidak ada masalah untuk sistem digital. Saya telah membuat lembar excel atau dimensi bantuan, dll, tapi saya tidak tahu bagaimana cara menambahkan lampiran di sini ...

Anda juga mungkin ingin menambahkan tutup 10..100nF ke setiap input pasokan MCU dan menjaga jejak dari Cap ke MCU singkat untuk meminimalkan riak yang terlihat oleh pin daya.

4. Kesimpulannya, apa cara terbaik untuk menyalakannya dengan tegangan input antara 6V dan 12V?

Karena Anda memerlukan langkah tegangan besar, lebih dari beberapa mA dan tidak menyebutkan persyaratan khusus mengenai kebisingan (untuk barang analog) saya akan menggunakan SMPS.

Tidak ada cara terbaik! Semuanya murah.

Umumnya, suplies daya beralih-mode memiliki efisiensi yang lebih baik daripada suplai daya linier. Namun, mereka jauh lebih berisik daripada lawan mereka. Ini mungkin penting untuk sirkuit presisi.

Menggunakan pengatur linier sebagai pasca-regulasi untuk pasokan daya mode-beralih adalah baik, karena ini memenuhi 2 faktor: efisiensi, kebisingan rendah. Tapi, sekali lagi, semuanya murah! Ini memperkenalkan lebih banyak biaya BOM dan lebih banyak ruang dewan!

1. Apa bedanya ...

Mereka berbeda dari prinsip kerja mereka. Silakan gunakan Google!

2. Akankah regulator linier ...

Mungkin, itu tergantung pada desain Anda.

3. ...

Biasanya tidak ada jika pin catu daya telah dipisahkan. Ini mungkin masalah dengan barang analog (ADC, DAC, ...)

4. ...

Saya tidak bisa menjawab ini.

Konverter Buck lebih berisik dan mahal karena switching dan komponen eksternal seperti induktor (Anda biasanya tidak dapat mengintegrasikan ini dalam IC, tetapi eksternal lainnya dapat diintegrasikan untuk arus yang lebih kecil). Noise biasanya bukan masalah untuk sirkuit digital (yang menghasilkan noise sendiri di rel pasokan), tetapi mungkin terlalu banyak untuk analog. Tergantung pada jumlah daya yang Anda butuhkan, SMPS mungkin juga lebih kecil karena efisiensi tinggi akan berarti daya yang dihamburkan lebih sedikit (induktor mungkin lebih kecil dari heatsink).

Konverter linear biasanya lebih murah dan untuk daya yang lebih rendah mungkin juga lebih kecil jika beberapa komponen eksternal digunakan, tetapi mungkin memerlukan heatsink untuk daya yang lebih besar.

Ada juga opsi menggunakan resistor dan Zener, tetapi ini biasanya bahkan tidak dipertimbangkan karena Zener akan mengkonsumsi daya bahkan jika MCU tidak akan (misalnya selama tidur / siaga), tetapi mungkin menjadi pilihan yang layak jika Anda menggambar saat ini relatif konstan.

Pemilihan catu daya adalah kompromi: Anda harus menyeimbangkan anggaran, ukuran, dan kebisingan. Karena Anda mungkin turun dari 12 V ke 3.3 V, persyaratan termal Anda biasanya akan mendominasi, yang biasanya akan menunjukkan konverter uang. Namun, jika aplikasi Anda banyak menggunakan ADC, kecuali Anda dapat memiliki referensi tegangan eksternal, mungkin menguntungkan untuk menggunakan konverter linier, bahkan untuk ukuran yang lebih besar. Kemudian, jika anggaran Anda memungkinkan, Anda juga dapat menggunakan keduanya : Anda dapat menggunakan konverter uang untuk turun dari 12 / 7.4V ke 5 atau 4 V, dan kemudian menggunakan linear untuk menuju ke 3.3 V. Ini akan memungkinkan penurunan yang lebih kecil dalam regulator linier, mungkin menghindari masalah termal.

SMPS akan memberikan Anda solusi yang lebih mahal untuk daya internal MCU.
Regulator Linier bukannya berganti-ganti dalam DAC yang kurang berisik dan Mengalihkannya dalam perhitungan yang lebih stabil.
Switching power supply akan mengkompensasi perhitungan switching MCU cepat. Sebaliknya Anda mencoba regulator linier yang dapat memberikan kualitas DAC yang adil tetapi dengan mengorbankan peluang yang lebih tinggi MCU Anda akan hangup.

Mengenai kesimpulan: regulator linier sering dicolokkan dengan MCU yang menyediakan reset pada pengawas hang.
Switching jauh lebih mahal tetapi tuntutannya relevan untuk setiap aplikasi.
Anda mungkin sudah lebih suka membeli modul SMPS yang mudah beradaptasi dengan kebutuhan apa pun.