Mikrodenetleyici, SMPS vs Lineer Regülatöre güç vermenin en iyi yolu

Elektroniklerime güç sağlamak için bir 12V adaptör ve 2S 7.4V Li-ion pil kullanıyorum ve MCU'ma da güç sağlamak istiyorum. Adaptör ve pil arasında geçiş yapmak için TI'den bir BQ24133 kullanıyorum .

Özel bir PCB'de 3.3V kullanan bir STM32L4 MCU ve diğer bazı bileşenleri kullanacağım. 3V3'teki her şey, tam çalışma modundayken 150 mA'ya kadar kullanır.

En iyi / en ucuz çözümü arıyorum.

1. Bir MCU'yu çalıştırmak için kova dönüştürücü vs doğrusal lineer regülatör kullanmanın farkı nedir?

2. Doğrusal bir regülatör (küçük paketler) voltajda büyük bir fark olduğu için çok ısınacağı için kötü bir fikir olur mu (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

3. Anahtarlama frekansı veya çıkış voltajı dalgalanması (gürültü) bir MCU'nun normal çalışması üzerinde büyük bir etki olur mu?

4. Sonuç, 6V ve 12V arasındaki giriş gerilimleri ile güç vermenin en iyi yolu nedir?

Sabrınız ve cevaplarınız için teşekkür ederim.

Tüm cevaplarınız için teşekkür ederim. Hepiniz çok yardımcı oldunuz. Şimdiye kadar projelerim için doğrusal kullandım, ama sanırım şimdi para kazanabilirim. Bunu sormamın nedenini takip etmek ve ne yaptığımı görmek istiyorsanız, bu bağlantıyı takip edin

1) Buck dönüştürücü:

• doğrusal bir regülatörden daha pahalı
• PCB üzerinde genellikle daha fazla yer kaplar
• tasarımı genellikle daha zordur (bazen biraz daha fazla, bazen çok daha fazla)
• daha gürültülü (gürültü miktarı birçok faktöre bağlı olsa da)

Ancak, özellikle giriş voltajı ile çıkış voltajı arasında büyük bir fark varsa, buradaki durumunuz çok daha güç tasarrufludur. Kova, girişte aldığı güçle neredeyse aynı gücü üretecektir (verimlilikler genellikle ~% 80-90'dır), oysa lineer regülatör, tedarik edilmesi gereken giriş kadar akım alacaktır (bu, verimliliğin Vout / Vin olduğu anlamına gelir) , sizin durumunuzda ~% 27-44 gibi bir şey, ki bu çok kötü).

2) Evet, aslında doğrusal regülatörün kötü bir seçim olabilmesinin tek nedeni budur: etkinlik (ve harcanan ısı hesaplamanız iyi). Şimdi, o kadar fazla güç harcanması iki büyük soruna yol açar:

• Muhtemelen bir soğutucuya ihtiyacınız olacak (lineer regülatörün veri sayfasını kontrol edin: 1W'dan daha fazla bir şeyde, TO-220 paketinde bile dikkatlice kontrol etmeniz gerekir. Daha küçük paketler kullanırken, çoğu zaman mümkün değildir). Bu, bu, kova regülatörlerinin rahatsız edici olduğu "PCB üzerinde daha fazla yer" anlamına gelmez.

• Pille çalışırsanız, çalışma süresi çok daha azdır. Bazen bunu karşılayamazsınız (hesaplamayı yapın).

3) Büyük olasılıkla, istifa etmek için standart entegre çözümler kullanırsanız. Bunlar IC yongalarına güç sağlamak için üretilmiştir ve seçtiğiniz adım azaltma denetleyicisinin / düzenleyicisinin veri sayfası / uygulama notları, alacağınız gürültü miktarı hakkında size bilgi vermelidir. Ancak dijital çalışma için, besleme gürültüsü tipik olarak çok fazla bir sorun değildir.

4) Giriş / çıkış voltajlarındaki büyük fark, ihtiyacınız olan akım ve kısmen pillerle çalışacağınız göz önüne alındığında, bir kovaya gitmek mantıklı bir seçim gibi görünüyor. Ama tüm bunları kendiniz tekrar kontrol etmeniz gerekiyor. Belki de sizin kasanızda 1.3W dağıtan büyük bir TO-220 olması kabul edilebilir ve ihtiyacınız olan çalışma süresi o kadar yüksek değil.

Bir para için giderseniz, burada önerebileceğim şey:

• Çözümlerden biri tam bir modüle gitmek. O zaman hiçbir şey tasarlamanıza gerek kalmaz. Mouser / digikey'i kontrol edin, PCB'nize doğrusal bir regülatör gibi lehimleyebileceğiniz DC-DC dönüştürücülere sahiptir. Eğer bir aliexpress / ebay tür bir adam iseniz, muhtemelen orada da ucuz şeyler bulacaksınız.
• Kendi tasarımınızı yapabilirsiniz (korkutucu, biliyorum ... vay, bir indüktör!). Bu durumda önerebileceğim, çeşitli üreticiler tarafından sağlanan araçlara bir göz atmaktır (örneğin, TI webench, ancak Linear teknolojisinin de bir tane var ...). Onlara sadece gereksinimlerinizi (giriş / çıkış voltajı, akım, ...) tedarik edersiniz ve kataloglarından farklı yongalarla birçok olası tasarımı (bazılarının gerçekten çok basit olduğunu görürsünüz) tükürür. Tüm pasif bileşen değerleri sizin için zaten hesaplanmıştır ve hatta indüktör vb. İçin parça numaralarını önerirler ... Bu nedenle, tahtanızı tasarlamak, parçaları satın almak, lehim, ve işe yaramalı.

1) SMPS enerjiyi dönüştürmede daha etkilidir, ancak anahtarlama nedeniyle daha gürültülüdür. Doğrusal regülatör, giriş ve çıkış voltajındaki farkla orantılı olarak güç harcar, ancak düşük gürültü ile çalışır.

2) 1.3W dağıtıp dağıtamayacağınıza bağlıdır - sadece tasarımcı (siz) bunu bilebilir. 1.3W, küçük bir IC için çok fazla güç olabilir, bu nedenle bir ısı emiciye ihtiyacınız olabilir.

3) Farklı anahtarlama frekansları farklı frekans bantlarında gürültü yapar. Sadece tasarımcı (siz) bunun bir sorun olup olmayacağını bilebilirsiniz. Giriş voltajı dalgalanmasının kabul edilebilir derecede düşük olduğundan emin olmak için belirli MCU için bir referans tasarım izlemelisiniz.

4) Ödünleşmelerin özel uygulama için nasıl ağırlıklandığına bağlıdır. Biri nesnel olarak diğerinden daha iyi olamaz. Neredeyse her zaman mühendislikte bir değiş tokuş.

1. Kova dönüştürücü ve doğrusal doğrusal regülatör kullanımındaki fark nedir

Çok minimalist açıklama:

AGK

Bir SMPS (anahtar modu güç kaynağı, örneğin Buck) temel olarak çıkış voltajını belirli bir referansla karşılaştırır. Çıkış voltajı referansın üzerindeyse, regülatör temel olarak giriş ve çıkış arasındaki bağlantıyı keser. Çıkış voltajı referansın altındaysa, giriş ve çıkış bağlanır. Çıkış kapasitansı ve endüktansı, çıkış tarafında enerji depolamak ve çıkış voltajını yumuşatmak için kullanılır.

faydaları : Verimlilik ve dolayısıyla güç kaybı (-> ısı), çünkü anahtarlar kapalı (akım yok -> güç kaybı yok) veya açık (en düşük direnç durumu -> minimum güç kaybı).

dezavantajları : ek parçalar (genellikle bir voltaj düzenleyici, endüktans, kapasitans ve gürültü bastırma için belki bir ferrit boncuk) ve artan fiyat (cihazın kendisi ve ek parçalar).

Doğrusal

Bir SMPS'den farklı olarak, doğrusal bir regülatör anahtar olarak bir transistör kullanmaz (açık / kapalı), ancak doğrusal modda (açık ve kapalı arasındaki herhangi bir duruma da izin verilir). Bu, transistörü Vin-Vout'un voltaj düşüşü için ayarlanan düzenlenmiş bir direnç olarak hayal edebileceğiniz için artan güç kaybına yol açar.

faydaları : ucuz; kolay; anahtarlama olmaması nedeniyle daha az / gürültü yok, sadece bir kapasitans dezavantajı gerekebilir : verimlilik, özellikle yüksek yükte;

2. Lineer regülatör (küçük paketler), voltajda büyük bir fark olduğu için çok ısınacağı için kötü bir fikir olur mu (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

Buna evet ile cevap verirdim. Buraya bir göz attıysanız ve örneğin bu veri sayfasında bölüm 6.4'dekiler gibi değerleri göz önüne alırsanız, termal direncin kolayca 100 ° C / W'nin üzerine çıktığını göreceksiniz (yani: 1W güç kaybı için 100 ° C'lik bir sıcaklık artışı). Bence bu küçük bir durumda, bir (küçük, çünkü küçük paket) bir ısı emici ve soğutma için belirlenen PCB üzerinde çok sayıda bakır alanı ile bile çalışmayacak (bu yüzden küçük paketten hiç faydalanamayacaksınız) ).

Genel bir kural olarak, çok düşük akımlara (maksimumda sadece birkaç mA), çok küçük voltaj düşüşüne (1..2V) ve / veya bir ADC veya diğer analog için süper temiz besleme voltajına ihtiyacım varsa genellikle doğrusal bir regülatör kullanırım parçalar. Çoğu durumda SMPS kullanmayı tercih ettiğim anlamına gelir. Bunlar genellikle daha fazla parça gerektirir (daha fazla kapak, direnç, endüktans), bu yüzden daha pahalı ve 'karmaşık' bir çözümdür.

3. Anahtarlama frekansı veya çıkış voltajı dalgalanması (gürültü) bir MCU'nun normal çalışması üzerinde büyük bir etki olur mu?

Cihazların veri sayfasına dayalı bir SMPS tasarlarsanız, genellikle beklenen dalgalanma gürültüsü için verilen hesaplamalar vardır. Bunlar genellikle dijital sistemler için sorun olmayan çıkış Voltajının% 1'i içindedir. Ben excel sayfası ot yardım boyut kapaklar vb yarattık, ama ben burada bir ek eklemek için nasıl bilmiyorum ...

Ayrıca, MCU'nun her bir besleme girişine 10..100nF'lik bir kapak eklemek ve güç pimleri tarafından görülen dalgalanmayı en aza indirmek için Kapaktan MCU'ya kadar olan izleri kısa tutmak isteyebilirsiniz.

4. Sonuç olarak, 6V ve 12V arasındaki giriş voltajlarıyla güç vermenin en iyi yolu nedir?

Büyük bir voltaj adımına ihtiyacınız olduğu için, birkaç mA'dan fazla ve gürültü ile ilgili herhangi bir özel gereksinimden bahsetmedim (analog şeyler için) bir SMPS ile giderdim.

En iyi yolu yok! Her şey bir pazarlık.

Genel olarak, anahtarlamalı güç kaynakları doğrusal güç kaynaklarından daha iyi verimliliğe sahiptir. Ancak, karşı kısımlarından çok daha gürültülüdürler. Bu, hassas devre için kritik olabilir.

Anahtar modu güç kaynakları için post-regülasyon olarak lineer regülatörün kullanılması iyidir, çünkü bu 2 faktörü karşılar: verimlilik, düşük gürültü. Ama yine, her şey bir pazarlık! Bu, daha fazla ürün ağacı maliyeti ve daha fazla tahta alanı sunar!

1. Fark ne ...

Çalışma prensiplerinden farklıdırlar. Lütfen Google'ı kullanın!

2. Doğrusal regülatör ...

Belki, tasarımınıza bağlıdır.

3. ...

Genellikle güç kaynağı pinleri ayrılmışsa hayır. Analog malzemelerle ilgili bir sorun olabilir (ADC, DAC, ...)

4. ...

Buna cevap veremem.

Buck dönüştürücüler, indüktör gibi anahtarlama ve harici bileşenler nedeniyle daha gürültülü ve pahalıdır (genellikle bunu IC'ye entegre edemezsiniz, ancak diğer haricilar daha küçük akımlar için entegre edilebilir). Gürültü genellikle dijital devreler için (besleme rayında kendi gürültülerini üreten) bir sorun oluşturmaz, ancak analog için çok fazla olabilir. İhtiyacınız olan güç miktarına bağlı olarak, bir SMPS daha küçük olabilir, çünkü yüksek verimlilik daha az dağılmış güç anlamına gelir (indüktör soğutucudan daha küçük olabilir).

Doğrusal dönüştürücüler genellikle daha ucuzdur ve daha düşük güçler için, birkaç harici bileşen kullanılırsa daha küçük olabilir, ancak daha büyük güçler için bir soğutucu gerektirebilir.

Ayrıca bir direnç ve Zener kullanma seçeneği de vardır, ancak bu genellikle dikkate alınmaz çünkü Zener, MCU (örneğin uyku / bekleme sırasında) olmasa bile güç tüketir, ancak uygun bir seçenek olabilir. şu anki çekilişiniz sabit.

Güç kaynağının seçimi bir ödünleşmedir: bütçenizi, boyutunuzu ve gürültüyü dengelemeniz gerekir. Muhtemelen 12 V'dan 3,3 V'a düştüğünüz için, genellikle bir kova dönüştürücüyü gösterecek olan termal gereksinimleriniz genellikle baskın olacaktır. Bununla birlikte, uygulamanız ADC'yi yoğun bir şekilde kullanıyorsa, harici bir voltaj referansınız yoksa, daha büyük boyutlar için bile doğrusal bir dönüştürücü kullanmak avantajlı olabilir. Ardından, bütçeniz izin veriyorsa, her ikisini de kullanabilirsiniz : 12 / 7.4V'den 5 veya 4 V'ye düşürmek için bir kova dönüştürücü kullanabilirsiniz ve daha sonra 3.3 V'a gitmek için bir doğrusal kullanabilirsiniz. muhtemelen termal sorunları önleyen lineer regülatör .

SMPS, MCU dahili gücüne daha pahalı bir çözüm sağlayacaktır.
Doğrusal Regülatörler bunun yerine daha az gürültülü DAC'lerde ve Anahtarlamalarda daha kararlı hesaplamada yeniden işlem yapar.
Anahtarlama güç kaynağı hızlı MCU anahtarlama hesaplamalarını telafi edecektir. Bunun yerine, lineer regülatörlerin eşitlikli DAC kalitesi sağlayabilir, ancak yüksek olasılıkla MCU'nuz askıda kalacaktır.

Bir sonuca ilişkin olarak: doğrusal regülatörler genellikle asmak bekçisi üzerinde bir sıfırlama sağlayan MCU ile takılır.
Anahtarlama çok daha pahalıdır, ancak talepler her uygulama için geçerlidir.
Zaten herhangi bir ihtiyaca kolayca uyarlanabilen bir SMPS modülü satın almayı tercih edebilirsiniz.