Der beste Weg, um einen Mikrocontroller, SMPS vs Linear Regulator, mit Strom zu versorgen

Ich verwende einen 12-V-Adapter und einen 2S-7,4-V-Li-Ionen-Akku, um meine Elektronik mit Strom zu versorgen, und ich möchte auch meine MCU damit versorgen. Zum Umschalten zwischen Adapter und Akku verwende ich einen BQ24133 von TI.

Ich werde eine STM32L4-MCU und einige andere Komponenten verwenden, die 3,3 V auf einer benutzerdefinierten Leiterplatte verwenden. Alles zusammen auf 3V3 verbraucht im Vollbetriebsmodus bis zu 150 mA.

Ich suche nach der besten / billigsten Lösung.

1. Was ist der Unterschied zwischen der Verwendung eines Tiefsetzstellers und eines linearen Linearreglers zur Stromversorgung einer MCU?

2. Wäre ein Linearregler (kleine Gehäuse) eine schlechte Idee, da er sich stark erwärmen würde, weil es einen großen Spannungsunterschied gibt (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

3. Würde die Schaltfrequenz oder die Welligkeit der Ausgangsspannung (Rauschen) einen großen Einfluss auf den normalen Betrieb einer MCU haben?

4. Fazit: Wie lässt sich das Gerät am besten mit Eingangsspannungen zwischen 6 V und 12 V versorgen?

Vielen Dank für Ihre Geduld und Ihre Antworten.

Vielen Dank für all Ihre Antworten. Sie waren alle sehr hilfreich. Bis jetzt habe ich linear für meine Projekte verwendet, aber ich denke, jetzt könnte ich Geld verdienen. Wenn Sie den Grund verfolgen möchten, warum ich dies gefragt habe, und sehen möchten, was ich mache, folgen Sie diesem Link

1) Abwärtswandler ist:

• teurer als ein Linearregler
• nimmt normalerweise mehr Platz auf der Leiterplatte ein
• ist in der Regel schwieriger zu entwerfen (manchmal nur ein bisschen mehr, manchmal viel mehr)
• ist lauter (die Menge des Rauschens hängt jedoch von vielen Faktoren ab)

Aber es ist in der Tat viel energieeffizienter, insbesondere wenn es einen großen Unterschied zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung gibt, was hier der Fall ist. Der Buck gibt fast die gleiche Leistung aus, die er am Eingang benötigt (Wirkungsgrade liegen normalerweise bei ~ 80-90%), während der Linearregler so viel Strom wie am Eingang benötigt, wie er liefern muss (was bedeutet, dass der Wirkungsgrad Vout / Vin ist , so etwas wie ~ 27-44% in Ihrem Fall, was sehr schlecht ist).

2) Ja, dies ist tatsächlich der einzige Grund, warum ein Linearregler eine schlechte Wahl sein kann: die Effizienz (und Ihre Berechnung der Wärmeableitung ist in Ordnung). Wenn so viel Energie verbraucht wird, führt dies zu zwei großen Problemen:

• Sie benötigen wahrscheinlich einen Kühlkörper (siehe Datenblatt des Linearreglers: Bei mehr als 1 W müssen Sie auch im TO-220-Gehäuse sorgfältig prüfen. Bei Verwendung kleinerer Gehäuse ist dies häufig überhaupt nicht möglich). Dies negiert also den "mehr Platz auf der Leiterplatte", der für Buck-Regler unpraktisch ist.

• Wenn Sie mit Batterien arbeiten, bedeutet dies viel weniger Laufzeit. Manchmal kann man es sich nicht leisten (Berechnung durchführen).

3) Höchstwahrscheinlich nicht, wenn Sie integrierte Standardlösungen verwenden, um das Zurücktreten durchzuführen. Diese werden hergestellt Macht IC - Chips zur Verfügung zu stellen, und die Datenblatt / Anwendungshinweise der Step-down - Steuerung / Regelung würden wählen Sie sollten Sie einige Informationen über die Menge an Lärm Sie erhalten. Für den digitalen Betrieb ist das Versorgungsrauschen jedoch normalerweise kein so großes Problem.

4) Angesichts des großen Unterschieds bei den Eingangs- / Ausgangsspannungen, des Stroms, den Sie benötigen, und der Tatsache, dass Sie teilweise mit Batterien betrieben werden, scheint es eine logische Entscheidung zu sein, sich für einen Dollar zu entscheiden. Aber Sie müssen das alles selbst überprüfen. Vielleicht ist es in Ihrem Fall akzeptabel, dass ein riesiger TO-220 1,3 W in Ihrem Gehäuse verbraucht, und die Laufzeit, die Sie benötigen, ist nicht so hoch.

Wenn Sie Geld verdienen, kann ich Folgendes vorschlagen:

• Eine Lösung besteht darin, ein komplettes Modul zu erwerben. Sie müssen dann nichts entwerfen. Überprüfen Sie Mauser / Digikey, sie haben DC-DC-Wandler, die Sie einfach wie ein Linearregler auf Ihre Leiterplatte löten können. Wenn Sie ein Aliexpress / Ebay-Typ sind, werden Sie dort wahrscheinlich auch viele billige Dinge finden.
• Sie können Ihre eigenen entwerfen (beängstigend, ich weiß ... wow, ein Induktor!). Was ich in diesem Fall vorschlagen kann, ist einen Blick auf die Werkzeuge der verschiedenen Hersteller zu werfen (z. B. TI-Webench, aber auch die lineare Technologie, ...). Sie versorgen sie nur mit Ihren Anforderungen (Eingangs- / Ausgangsspannung, Strom, ...) und es werden viele mögliche Designs (Sie werden sehen, dass einige von ihnen tatsächlich sehr einfach sind) mit verschiedenen Chips aus ihrem Katalog ausgespuckt. Alle passiven Komponentenwerte sind bereits für Sie berechnet und schlagen sogar Teilenummern für den Induktor usw. vor. Sie müssen also nur das empfohlene Leiterplattenlayout aus der Dokumentation überprüfen, um Ihre Platine zu entwerfen, die Teile zu kaufen, zu löten, und es sollte funktionieren.

1) SMPS wandelt Energie effektiver um, ist jedoch aufgrund des Schaltens lauter. Der Linearregler verschwendet Strom proportional zur Differenz der Eingangs- und Ausgangsspannung, arbeitet jedoch mit geringem Rauschen.

2) Kommt darauf an, ob Sie 1,3 W abführen können oder nicht - das kann nur der Designer (Sie) wissen. 1,3 W können für einen kleinen IC viel Leistung bedeuten, daher benötigen Sie möglicherweise einen Kühlkörper.

3) Unterschiedliche Schaltfrequenzen verursachen Rauschen in unterschiedlichen Frequenzbändern. Nur der Designer (Sie) kann wissen, ob dies ein Problem darstellt. Sie sollten ein Referenzdesign für die jeweilige MCU befolgen, um sicherzustellen, dass die Welligkeit der Eingangsspannung akzeptabel niedrig ist.

4) Hängt davon ab, wie die Kompromisse für die spezifische Anwendung gewichtet werden. Einer kann objektiv nicht besser sein als der andere. Es ist fast immer ein Kompromiss in der Technik.

1. Was ist der Unterschied zwischen der Verwendung eines Tiefsetzstellers und einem linearen Linearregler?

Sehr minimalistische Erklärung:

SMPS

Ein SMPS (Schaltnetzteil, z. B. Buck) vergleicht grundsätzlich die Ausgangsspannung mit einer bestimmten Referenz. Wenn die Ausgangsspannung über der Referenz liegt, unterbricht der Regler grundsätzlich die Verbindung zwischen Eingang und Ausgang. Wenn die Ausgangsspannung unter der Referenz liegt, werden Eingang und Ausgang angeschlossen. Ausgangskapazität und Induktivität werden verwendet, um Energie auf der Ausgangsseite zu speichern und die Ausgangsspannung zu glätten.

Vorteile : Wirkungsgrad und damit Verlustleistung (-> Wärme), da die Schalter entweder geschlossen (kein Strom -> keine Verlustleistung) oder offen (niedrigster Widerstandszustand -> minimale Verlustleistung) sind.

Nachteile : zusätzliche Teile (normalerweise ein Spannungsteiler, Induktivität, Kapazität und möglicherweise eine Ferritperle zur Rauschunterdrückung) und erhöhter Preis (Gerät selbst und zusätzliche Teile).

Linear

Im Gegensatz zu einem SMPS verwendet ein Linearregler keinen Transistor als Schalter (Ein / Aus), sondern im linearen Modus (jeder Zustand zwischen Ein und Aus ist ebenfalls zulässig). Dies führt zu einer erhöhten Verlustleistung, da Sie sich den Transistor als geregelten Widerstand vorstellen können, der auf einen Spannungsabfall von Vin-Vout eingestellt wird.

Vorteile : billig; einfach; weniger / kein Lärm aufgrund keiner Schalt, müssen nur eine Kapazität Nachteile : Effizienz, insbesondere bei hohen Last;

2. Wäre ein Linearregler (kleine Gehäuse) eine schlechte Idee, weil er sich stark erwärmen würde, weil es einen großen Spannungsunterschied gibt (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

Ich würde dies mit Ja beantworten. Wenn Sie einen Blick hier und betrachten Werte wie die auf Kapitel 6.4 in zB diesem Datenblatt werden Sie sehen, dass der thermische Widerstand leicht über 100 geht ° C / W (Bedeutung: ein temperatue Anstieg von 100 ° C für 1 W Verlustleistung). Ich denke, dass dies in einem kleinen Fall nicht funktioniert, selbst wenn ein (kleiner, weil kleiner) Kühlkörper und viel Kupferfläche auf Ihrer Leiterplatte für die Kühlung vorgesehen sind (sodass Sie von dem kleinen Paket überhaupt nicht profitieren können ).

Als Faustregel verwende ich normalerweise einen Linearregler, wenn ich entweder sehr niedrige Ströme (nur wenige mA bei max.), Einen sehr kleinen Spannungsabfall (1..2V) und / oder eine super saubere Versorgungsspannung für einen ADC oder ein anderes analoges Gerät benötige Teile. In den meisten Fällen bevorzuge ich die Verwendung von SMPS. Diese erfordern normalerweise mehr Teile (mehr Kappen, Widerstände, Induktivität), so dass es eine teurere und "kompliziertere" Lösung ist.

3. Wäre die Schaltfrequenz oder die Welligkeit der Ausgangsspannung (Rauschen) ein großer Einfluss auf den normalen Betrieb einer MCU?

Wenn Sie ein SMPS basierend auf dem Gerätedatenblatt entwerfen, werden normalerweise Berechnungen für das erwartete Welligkeitsrauschen angegeben. Diese liegen normalerweise innerhalb von 1% der Ausgangsspannung, was für digitale Systeme kein Problem ist. Ich habe ein Excel-Blatt erstellt, um Kappen usw. zu helfen, aber ich weiß nicht, wie ich hier einen Anhang hinzufügen soll ...

Außerdem möchten Sie wahrscheinlich jedem Versorgungseingang der MCU eine 10..100nF-Kappe hinzufügen und die Leiterbahnen von Kappe zu MCU kurz halten, um die Welligkeit der Stromversorgungsstifte zu minimieren.

4. Fazit: Was ist der beste Weg, um es mit den Eingangsspannungen zwischen 6V und 12V zu versorgen?

Da Sie einen großen Spannungsschritt benötigen, mehr als ein paar mA und keine besonderen Anforderungen in Bezug auf Rauschen (für analoge Sachen) erwähnen, würde ich mich für ein SMPS entscheiden.

Es gibt keinen besten Weg! Alles ist ein Schnäppchen.

Im Allgemeinen haben Schaltnetzteile einen besseren Wirkungsgrad als lineare Netzteile. Sie sind jedoch viel lauter als ihr Gegenstück. Dies kann für Präzisionsschaltungen kritisch sein.

Die Verwendung eines Linearreglers als Nachregulierung für Schaltnetzteile ist gut, da dies zwei Faktoren erfüllt: Effizienz, geringes Rauschen. Aber auch hier ist alles ein Schnäppchen! Dies führt zu mehr Stücklistenkosten und mehr Platz auf der Platine!

1. Was ist der Unterschied ...

Sie unterscheiden sich von ihrem Arbeitsprinzip. Bitte benutzen Sie Google!

2. Würde Linearregler ...

Vielleicht hängt es von Ihrem Design ab.

3. ...

Normalerweise nein, wenn die Stromversorgungsstifte entkoppelt wurden. Dies könnte ein Problem mit analogen Dingen sein (ADC, DAC, ...)

4. ...

Ich kann das nicht beantworten.

Abwärtswandler sind aufgrund von Schaltvorgängen und externen Komponenten wie der Induktivität verrauscht und teurer (Sie können dies normalerweise nicht in den IC integrieren, andere externe Komponenten können jedoch für kleinere Ströme integriert werden). Rauschen ist normalerweise kein Problem für digitale Schaltungen (die ihr eigenes Rauschen in der Versorgungsschiene erzeugen), kann jedoch für analoge zu viel sein. Abhängig von der benötigten Leistung kann ein SMPS auch kleiner sein, da der hohe Wirkungsgrad weniger Verlustleistung bedeutet (der Induktor ist möglicherweise kleiner als der Kühlkörper).

Linearwandler sind normalerweise billiger und können bei geringerer Leistung auch kleiner sein, wenn nur wenige externe Komponenten verwendet werden. Bei größeren Leistungen ist jedoch möglicherweise ein Kühlkörper erforderlich.

Es besteht auch die Möglichkeit, einen Widerstand und einen Zener zu verwenden. Dies wird jedoch normalerweise nicht einmal in Betracht gezogen, da der Zener auch dann Strom verbraucht, wenn die MCU dies nicht tut (z. B. im Ruhezustand / Standby). Dies kann jedoch eine praktikable Option sein, wenn Ihre Stromaufnahme ist relativ konstant.

Die Auswahl des Netzteils ist ein Kompromiss: Sie müssen Ihr Budget, die Größe und das Rauschen in Einklang bringen. Da Sie möglicherweise von 12 V auf 3,3 V abfallen, dominieren normalerweise Ihre thermischen Anforderungen, was normalerweise auf einen Tiefsetzsteller hinweist. Wenn Ihre Anwendung den ADC jedoch stark verwendet, kann es auch für größere Größen vorteilhaft sein, einen Linearwandler zu verwenden, es sei denn, Sie können eine externe Spannungsreferenz verwenden. Wenn Ihr Budget dies zulässt, können Sie auch beides verwenden : Sie können einen Tiefsetzsteller verwenden, um von 12 / 7,4 V auf 5 oder 4 V abzusinken, und dann einen linearen, um auf 3,3 V zu gehen. Dies ermöglicht einen geringeren Abfall der Linearregler, möglicherweise um thermische Probleme zu vermeiden.

SMPS bietet Ihnen eine teurere Lösung für die interne Stromversorgung der MCU.
Lineare Regler werden stattdessen in weniger verrauschten DACs und Schaltregler in stabileren Berechnungen wiedergegeben.
Das Schaltnetzteil kompensiert schnelle MCU-Schaltberechnungen. Stattdessen versuchen Sie, Linearregler zu liefern, die möglicherweise eine gerechte DAC-Qualität bieten, jedoch auf Kosten höherer Chancen, dass Ihre MCU auflegt.

Fazit: Linearregler werden häufig mit einer MCU verbunden, die einen Reset beim Hang Watchdog ermöglicht.
Das Umschalten ist viel teurer, aber die Anforderungen sind für jede Anwendung relevant.
Möglicherweise bevorzugen Sie bereits den Kauf eines SMPS-Moduls, das sich problemlos an alle Anforderungen anpassen lässt.