¿Cómo ahorra energía DCDC sobre un LDO?

No es que un DCDC ( Buck Regulator ) ahorre energía, es que un LDO desperdicia .

En efecto, un regulador de dólar convierte la diferencia de voltaje a más corriente disponible.
Un LDO convierte la diferencia de voltaje en calor, y el calor es un producto de desecho que realmente no desea.

Un LDO que regula, digamos, 12V a 5V tiene que bajar 7V y disipar esa potencia como calor. Cuanto más corriente dibujas, más calor se produce. Si atrae 1A a través de ese ejemplo (5W), a su vez extrae 1A de la fuente de alimentación (12W), por lo que tiene que perder 7W de potencia a la atmósfera.

Un regulador Buck perfecto (no existen, pero para la ilustración) que va de 12V a 5V, con una salida de 1A (5W) tomará 5W de la fuente de energía, que a 12V sería de 417mA. >

Por supuesto, como digo, los reguladores perfectos no existen y todavía hay pérdidas, por lo que en realidad se extraería un poco más de la fuente, más como quizás 6W o 500 mA. Todavía considerablemente menos que un LDO.

Sin embargo, hay lados para contrarrestar los reguladores:

• Son ruidosos . Funcionan al encender y apagar rápidamente la alimentación, lo que aumenta las emisiones emitidas y emitidas.
• Son más difíciles de diseñar . Para mantener bajas las emisiones de EMI y hacer que pasen las pruebas de cumplimiento, se debe considerar un diseño cuidadoso en la PCB.
• Utilizan más componentes . Un LDO es típicamente un chip y un par de condensadores. Los reguladores de Buck también necesitan (normalmente) al menos un diodo y un inductor también.

Todo lo que hace que los reguladores sean más caros que los LDO.

LDO es un término irrelevante aquí, las diferencias clave son "Lineal" frente a "Conmutado".
LDO significa que Vin-Vout puede ser muy pequeño si se desea, PERO la eficiencia se rige por lo que Vin es, no por el peor de los casos.

Usaré SMPS para "Fuente de alimentación de modo conmutado" y LPS para Fuente de alimentación lineal.

Para un LPS
Iin = Iout. Vout está configurado para adaptarse a la carga.
Entonces, poder en = Vin x Iin = Vin x Iout
Apagado = Vout x Iout
Tan eficiencia
= Apagado / Encendido en
= (Vout / Iout) / (Vin / Iout)
Efficiency = Vout / Vin
Por lo tanto, para un Vout fijo, la eficiencia cae linealmente a medida que Vin aumenta

Para un SMPS
Power_out = Power_in x Z
Z es la eficiencia de conversión y varía con el tipo de convertidor, voltajes de entrada y salida y su relación, niveles de potencia y más. Pero como guía: Un convertidor descendente "aislado" no aislado puede lograr:

• El espacio súper del 98% se clasificó sin gastos excluido ultra optimizado + suerte

• 95% mejores prácticas de la industria, diseño y fabricación cuidadosos, probablemente en un rango limitado

• 90% + Buen diseño en la mejor parte del rango
• 80% - 90% La mayoría de los diseños en gran parte del rango. No suele ser con cargas muy altas o muy bajas o relaciones de alto voltaje
• < 80% Condiciones extremas, fin de la batería, carga muy ligera o pesada, etc.

Como regla general, la mayoría de las SMPS proporcionarán una eficiencia del 85% al 95% en la mayoría de los casos.

Entonces -

Un LPS que funcione con Vin = 9V y Vout = 3.3V será 3.3 / 9 = 37% eficiente.
Excepto en casos ultra extremos, cualquier SMPS que no pueda hacerlo mejor debe ser enterrado en una encrucijada con una estaca en su corazón.

• Un sistema puede usar una batería alcalina PP3 nominal de 9V con
  Vnew de aproximadamente 6 x 1.65V / cell = 9.9V (no por mucho tiempo) y
  Vdead de unos 6 x 0.9V 5.4V -
  por lo tanto, la eficiencia de un regulador lineal 3V3 que opera con esta batería variará ampliamente con el estado de carga.

Un LPS que funcione con Vin = 5V y Vout = 3.3V será 3.3 / 5 = 66% eficiente.
La mayoría de las SMPS serán mejores, excepto en casos extremos.

Un LPS que usa una batería LiFePO4 que funciona de 3.5V a 3.1V y que opera un LED a 3.0V será de 3 / 3.5 a 3.1 / 3.5 = ~ = 86% a 97% de eficiencia, es decir, la eficiencia aumenta a medida que Vin se acerca a Vout.
En este caso, la eficiencia promedio será de alrededor del 91% al 94% en gran parte del rango de la batería.
Solo los mejores reguladores SMPS tendrían mayores eficiencias y un regulador lineal puede ser una buena opción aquí.

• Nota: diseñé una gama de productos que operan uno o más LED (s) blancos de bajo Vf con una sola celda LiFePO4: adivine qué tipo de regulador usé :-).
  [Los LED utilizados se seleccionan cuidadosamente para funcionar a 3 V o menos en todas las condiciones de funcionamiento deseadas. ]

Un regulador se usa en situaciones en las que la carga necesita electrones con menos energía (por electrón) que los que expulsa la fuente. Un regulador lineal toma electrones de la fuente, desperdicia algo de energía de cada uno y luego los alimenta a la carga. Cada vez que un electrón proviene de la carga, un electrón debe provenir de la fuente.

Un regulador de dólar pasa los electrones a través de un inductor que puede tomar energía de algunos y dar energía a otros. Inicialmente, se comporta como un regulador lineal: pasa los electrones a través del inductor (que elimina parte de su energía) y luego la carga. Pero una vez que el inductor ha acumulado un poco de energía, un interruptor desconecta la fuente y comienza a alimentarse Los electrones que regresan de la carga. Esos electrones no tendrán suficiente energía para impulsar la carga nuevamente, pero ya que el inductor acaba de almacenar algo de energía, el inductor puede usar su energía almacenada para volver a energizar esos electrones y enviarlos de vuelta. la carga.

Si uno es, por ejemplo. comienza con 10 voltios y conecta el inductor a la fuente 1/3 del tiempo y al retorno de carga 2/3 del tiempo, luego solo alrededor de 1/3 de la corriente que pasa a través de la carga deberá provenir de la fuente. Dado que un inductor agregará o eliminará el flujo a una tasa proporcional al voltaje aplicado (menos las pérdidas), y el flujo integrado promedio debe ser cero, lo que implica que el voltaje promedio (menos las pérdidas) debe ser cero. Dado que el inductor se conectará a la carga el doble de lo que está conectado a la fuente, eso significará que debe disminuir el doble de voltaje cuando se conecta a la fuente que cuando se conecta a la carga. Por lo tanto, el inductor caerá alrededor de 6.7 voltios cuando se conecte a la fuente y producirá 3.3 cuando se conecte a la carga.