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

1) el conversor Buck es:

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

Pero es mucho más eficiente en el consumo de energía, especialmente si hay una gran diferencia en la tensión de entrada en comparación con la tensión de salida, como es su caso aquí. La pelota producirá casi la misma potencia que toma en la entrada (las eficiencias son generalmente de ~ 80-90%), mientras que el regulador lineal tomará tanta corriente como la entrada que necesite suministrar (lo que significa que la eficiencia es Vout / Vin). , algo como ~ 27-44% en tu caso, lo cual es muy malo).

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

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

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

3) Lo más probable es que no, si utiliza soluciones integradas estándar para hacer la reducción. Estos están hechos para proporcionar energía a los chips IC, y la hoja de datos / notas de aplicación del controlador / regulador reductor que elija le brindará información sobre la cantidad de ruido que recibirá. Pero para la operación digital, el ruido de suministro no suele ser un gran problema.

4) Dada la enorme diferencia en los voltajes de entrada / salida, la corriente que necesita y el hecho de que en parte funcionará con baterías, parece una opción lógica ir por un dólar. Pero necesitas revisar todo eso tú 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 vas por un dólar, esto es lo que puedo sugerir:

• Una solución es ir a por un módulo completo. Entonces no necesitas diseñar nada. Compruebe mouser / digikey, tienen convertidores DC-DC que puede soldar a su PCB como un regulador lineal. Si eres un tipo aliexpress / ebay, es probable que encuentres muchas cosas baratas allí también.
• Puedes diseñar el tuyo (miedo, lo sé ... wow, ¡un inductor!). Lo que puedo sugerir en este caso es echar un vistazo a las herramientas proporcionadas por los distintos fabricantes (por ejemplo, webench de TI, pero la tecnología Linear también tiene una, ...). Solo tiene que proporcionarles 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 los componentes pasivos ya están calculados para usted, e incluso le sugieren números de pieza para el inductor, etc. Así que solo tiene que verificar la disposición de PCB recomendada en la documentación para diseñar su placa, comprar las piezas, soldar, y debería funcionar.

1) SMPS es más eficaz para convertir energía, pero es más ruidoso debido a la conmutación. El regulador lineal desperdicia potencia proporcional a la diferencia en el voltaje de entrada y salida, pero funciona con bajo ruido.

2) Depende de si puede o no disipar 1.3W, solo el diseñador (usted) puede saberlo. 1.3W puede ser una gran cantidad de energía para un IC pequeño, por lo que podría necesitar 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 fluctuación 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 del convertidor buck frente al regulador lineal lineal?
  

Explicación muy minimalista:

SMPS

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

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

Linear

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

beneficios : barato; fácil; Menos / ningún ruido debido a que no hay conmutación, puede necesitar solo una capacitancia desventajas : eficiencia, especialmente en carga alta;

  

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

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

Como regla general, por lo general 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 un voltaje de suministro súper limpio para un ADC u otras partes analógicas. 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 de la tensión 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, por lo general se dan cálculos para el ruido de rizado esperado. Estos están generalmente 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 con las mayúsculas de las dimensiones, etc., pero no sé cómo agregar un archivo adjunto aquí ...

También es probable que desee agregar un límite de 10..100nF a cada entrada de suministro de la MCU y mantener cortos los trazos de Cap a MCU para minimizar la ondulación observada 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) me gustaría usar un SMPS.

¡No hay mejor manera! Todo es una ganga.

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

El uso del regulador lineal como regulación posterior para las fuentes de alimentación en modo conmutado es bueno, ya que satisface 2 factores: eficiencia, bajo nivel de ruido. Pero, de nuevo, todo es una ganga! ¡Esto introduce más costo de la lista de materiales y más espacio en la placa!

  

1. ¿Cuál es la diferencia ...
  

Se diferencian de su principio de funcionamiento. Por favor use el Google!

  

2. sería 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 las fuentes analógicas (ADC, DAC, ...)

  

4. ...
  

No puedo responder esto.

Los convertidores Buck son más ruidosos y costosos debido a los componentes externos y de conmutación como el inductor (normalmente no se puede integrar esto en el IC, pero se pueden integrar otros externos para corrientes más pequeñas). El ruido generalmente no es un problema para los circuitos digitales (que generan su propio ruido en el riel de alimentación), pero puede ser demasiado para analógico. Dependiendo de la cantidad de energía que necesite, una SMPS también puede ser más pequeña, ya que la alta eficiencia significará una menor potencia disipada (el inductor puede ser más pequeño que el disipador térmico).

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

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

La selección de la fuente de alimentación es una compensación: tiene que equilibrar su presupuesto, el tamaño y el ruido. Debido a que posiblemente esté bajando de 12 V a 3.3 V, sus requisitos térmicos generalmente prevalecerán, lo que generalmente indicará un convertidor de dólar. Sin embargo, si su aplicación utiliza 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 más pequeña en el regulador lineal, posiblemente evitando problemas térmicos.

SMPS le proporcionará una solución más costosa para la alimentación interna de MCU.
Reguladores lineales en cambio repercute en DACs menos ruidosos y Conmutación en computación más estable.
La fuente de alimentación de conmutación compensará los rápidos cálculos de conmutación de MCU. En su lugar, pruebe que los reguladores lineales pueden proporcionar una calidad de DAC equitativa pero a costa de mayores posibilidades, su MCU se bloqueará.

En cuanto a una conclusión: los reguladores lineales a menudo están enchufados con MCU, que proporciona un restablecimiento en el perro guardián.
La conmutación es mucho más costosa, pero las demandas son relevantes para cada aplicación.
Es posible que ya prefieras comprar un módulo SMPS que sea fácilmente adaptable a cualquier necesidad.