Si esos sensores / relés son externos a su dispositivo, existe la posibilidad de que la fuente de alimentación de 5 V se interrumpa y se cierre. Si desea que su microcontrolador trabaje en un evento de este tipo, sería necesario tener un convertidor Buck independiente para 5V y 3.3V, si le interesa la eficiencia energética. Si no le importa algo de calor, estaría bien usar un regulador lineal separado para 5V y 3.3V, alimentado directamente desde la fuente de entrada. De esa manera, sería más fácil evitar que los transitorios de relé también afecten al microcontrolador.
En cuanto a la eficiencia, cuando utiliza reguladores lineales, no importa cómo se apilan las cosas: en cascada o de forma independiente, toda la corriente consumida a cualquier voltaje regulado tiene que fluir desde la fuente de entrada. Entonces, si consume 200 mA a 5 V y 50 mA a 3,3 V, todavía son 250 mA del suministro de 9-12 V.
Con los reguladores de conmutación, debe tomar la eficiencia de cada regulador a su corriente de carga actual y comparar las variantes independientes frente a en cascada. Por supuesto, para que el microcontrolador permanezca encendido a pesar de los cortocircuitos de control (5 V), necesita que los reguladores sean independientes.
Tengo un montón de microcontroladores de 3.3V que funcionan con reguladores lineales alimentados desde 12V, a veces es la opción más barata cuando tienes un suministro potente disponible.