Cách tốt nhất để cấp nguồn cho vi điều khiển, SMPS vs Bộ điều chỉnh tuyến tính

Tôi đang sử dụng bộ chuyển đổi 12V và pin Li-ion 2S 7.4V để cấp nguồn cho thiết bị điện tử của mình và tôi cũng muốn cung cấp năng lượng cho MCU của mình với nó. Để chuyển đổi giữa bộ chuyển đổi và pin, tôi đang sử dụng BQ24133 từ TI.

Tôi sẽ sử dụng MCU STM32L4 và một số thành phần khác sử dụng 3.3V trên PCB tùy chỉnh. Mọi thứ cùng nhau trên 3V3 sử dụng tới 150 mA khi ở chế độ hoạt động đầy đủ.

Tôi đang tìm kiếm giải pháp tốt nhất / rẻ nhất.

1. Sự khác biệt của việc sử dụng bộ chuyển đổi buck so với bộ điều chỉnh tuyến tính tuyến tính để cấp nguồn cho MCU là gì?

2. Một bộ điều chỉnh tuyến tính (gói nhỏ) có phải là một ý tưởng tồi bởi vì nó sẽ nóng lên rất nhiều vì có sự khác biệt lớn về điện áp (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

3. Tần số chuyển đổi, hoặc gợn điện áp đầu ra (nhiễu) có ảnh hưởng lớn đến hoạt động bình thường của MCU không?

4. Kết luận, cách tốt nhất để cấp nguồn cho nó với điện áp đầu vào giữa 6V và 12V là gì?

Cảm ơn bạn đã kiên nhẫn và câu trả lời của bạn.

Cảm ơn bạn cho tất cả các câu trả lời của bạn. Tất cả các bạn đều rất hữu ích. Cho đến bây giờ tôi đã sử dụng tuyến tính cho các dự án của mình, nhưng tôi nghĩ bây giờ tôi có thể gặp rắc rối. Nếu bạn muốn theo dõi lý do tôi hỏi điều này và xem những gì tôi đang làm, hãy theo liên kết này

1) Bộ chuyển đổi Buck là:

• đắt hơn một bộ điều chỉnh tuyến tính
• thường mất nhiều chỗ hơn trên PCB
• thường khó thiết kế hơn (đôi khi, chỉ một chút nữa, đôi khi cách nhiều hơn)
• ồn ào hơn (tuy nhiên lượng tiếng ồn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố)

Nhưng nó thực sự hiệu quả năng lượng hơn nhiều, đặc biệt nếu có sự khác biệt lớn về điện áp đầu vào so với điện áp đầu ra, đó là trường hợp của bạn ở đây. Buck sẽ tạo ra công suất gần như tương đương với đầu vào (hiệu suất thường là ~ 80-90%), trong khi bộ điều chỉnh tuyến tính sẽ lấy dòng điện nhiều như đầu vào cần cung cấp (có nghĩa là hiệu quả là Vout / Vin , đại loại như ~ 27-44% trong trường hợp của bạn, điều này rất tệ).

2) Có, đây thực sự là lý do duy nhất tại sao bộ điều chỉnh tuyến tính có thể là một lựa chọn tồi: hiệu quả (và tính toán nhiệt của bạn là tốt). Bây giờ, có nhiều sức mạnh tiêu tan dẫn đến hai vấn đề lớn:

• Bạn có thể sẽ cần một bộ tản nhiệt (kiểm tra bảng dữ liệu của bộ điều chỉnh tuyến tính: ở mức lớn hơn 1W, bạn cần kiểm tra cẩn thận ngay cả trong gói TO-220. Khi sử dụng các gói nhỏ hơn, thường không thể thực hiện được). Vì vậy, điều này phủ nhận "nhiều chỗ hơn trên PCB" bất tiện cho các bộ điều chỉnh buck.

• Nếu bạn chạy bằng pin, điều đó có nghĩa là thời gian chạy ít hơn nhiều. Đôi khi, bạn không thể đủ khả năng (thực hiện tính toán).

3) Rất có thể là không, nếu bạn sử dụng các giải pháp tích hợp tiêu chuẩn để thực hiện bước xuống. Chúng được tạo để cung cấp năng lượng cho chip IC và ghi chú ứng dụng / bảng dữ liệu của bộ điều khiển / bộ điều chỉnh bước xuống mà bạn chọn sẽ cung cấp cho bạn một số thông tin về lượng nhiễu bạn sẽ nhận được. Nhưng đối với hoạt động kỹ thuật số, tiếng ồn cung cấp thường không phải là vấn đề.

4) Với sự khác biệt rất lớn về điện áp đầu vào / đầu ra, dòng điện bạn cần và thực tế là bạn sẽ chạy một phần bằng pin, có vẻ như là một lựa chọn hợp lý để sử dụng. Nhưng bạn cần phải tự kiểm tra lại tất cả. Có thể trong trường hợp của bạn, việc có một TO-220 khổng lồ tiêu tan 1.3W trong vỏ bọc của bạn là điều có thể chấp nhận được và thời gian chạy bạn cần không quá cao.

Nếu bạn muốn kiếm tiền, đây là những gì tôi có thể đề xuất:

• Một giải pháp là đi cho một mô-đun hoàn chỉnh. Sau đó, bạn không cần phải thiết kế bất cứ điều gì. Kiểm tra mouser / digikey, họ có bộ chuyển đổi DC-DC mà bạn chỉ có thể hàn vào PCB của mình giống như bộ điều chỉnh tuyến tính. Nếu bạn là một chàng trai trên AliExpress / ebay, có lẽ bạn cũng sẽ tìm thấy nhiều thứ rẻ tiền ở đó.
• Bạn có thể thiết kế của riêng bạn (đáng sợ, tôi biết ... wow, một cuộn cảm!). Những gì tôi có thể đề xuất trong trường hợp này là xem xét các công cụ được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau (ví dụ TI webench, nhưng công nghệ tuyến tính cũng có một công cụ, ...). Bạn chỉ cần cung cấp cho họ các yêu cầu của bạn (điện áp đầu vào / đầu ra, dòng điện, ...) và nó tạo ra rất nhiều thiết kế có thể (bạn sẽ thấy một số trong số chúng thực sự rất đơn giản) với các chip khác nhau từ danh mục của chúng. Tất cả các giá trị thành phần thụ động đã được tính cho bạn và thậm chí chúng còn gợi ý cho bạn số phần của cuộn cảm, v.v ... Vì vậy, bạn chỉ cần kiểm tra bố cục PCB được đề xuất từ ​​tài liệu để thiết kế bảng của mình, mua các bộ phận, hàn, và nó nên hoạt động.

1) SMPS hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi năng lượng, nhưng ồn ào hơn vì chuyển đổi. Bộ điều chỉnh tuyến tính lãng phí điện năng tỷ lệ với sự khác biệt về điện áp đầu vào và đầu ra, nhưng hoạt động với độ ồn thấp.

2) Phụ thuộc vào việc bạn có thể tiêu tan 1.3W hay không - chỉ người thiết kế (bạn) mới có thể biết điều đó. 1.3W có thể là rất nhiều năng lượng cho một IC nhỏ, vì vậy bạn có thể cần một bộ tản nhiệt.

3) Các tần số chuyển đổi khác nhau tạo ra nhiễu trên các dải tần số khác nhau. Chỉ người thiết kế (bạn) có thể biết nếu đó sẽ là một vấn đề. Bạn nên tuân theo một thiết kế tham chiếu cho MCU cụ thể để đảm bảo gợn điện áp đầu vào ở mức thấp chấp nhận được.

4) Phụ thuộc vào cách đánh đổi trọng số cho ứng dụng cụ thể. Người ta không thể khách quan tốt hơn người kia. Nó gần như luôn luôn là một sự đánh đổi trong kỹ thuật.

1. Sự khác biệt trong việc sử dụng bộ chuyển đổi buck so với bộ điều chỉnh tuyến tính

Giải thích rất tối giản:

SMPS

SMPS (cung cấp năng lượng ở chế độ chuyển đổi, ví dụ Buck) về cơ bản so sánh điện áp đầu ra với một tham chiếu đã cho. Nếu điện áp đầu ra cao hơn tham chiếu, về cơ bản bộ điều chỉnh sẽ cắt kết nối giữa đầu vào và đầu ra. Nếu điện áp đầu ra dưới tham chiếu, đầu vào và đầu ra được kết nối. Điện dung đầu ra và độ tự cảm được sử dụng để lưu trữ năng lượng ở phía đầu ra và làm mịn điện áp đầu ra.

lợi ích : Hiệu quả và do đó tiêu tán năng lượng (-> nhiệt) vì các công tắc được đóng (không có dòng điện -> không tản điện) hoặc mở (trạng thái điện trở thấp nhất -> tản điện tối thiểu).

nhược điểm : các bộ phận bổ sung (thường là bộ giảm điện áp, điện cảm, điện dung và có thể là hạt ferrite để chống nhiễu) và tăng giá (bản thân thiết bị và các bộ phận bổ sung).

Tuyến tính

Không giống như SMPS, bộ điều chỉnh tuyến tính không sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc (bật / tắt) mà ở chế độ tuyến tính (bất kỳ trạng thái nào giữa bật và tắt cũng được cho phép). Điều này dẫn đến việc tăng công suất tiêu tán, vì bạn có thể tưởng tượng bóng bán dẫn như một điện trở được điều chỉnh đang được điều chỉnh để giảm điện áp của Vin-Vout.

lợi ích : giá rẻ; dễ dàng; ít hơn / không có tiếng ồn do không chuyển đổi, có thể chỉ cần một nhược điểm điện dung : hiệu quả, đặc biệt là khi tải cao;

2. Bộ điều chỉnh tuyến tính (gói nhỏ) có phải là một ý tưởng tồi bởi vì nó sẽ nóng lên rất nhiều vì có sự khác biệt lớn về điện áp (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)?

Tôi sẽ trả lời điều này với có. Nếu bạn có một cái nhìn ở đây và xem xét các giá trị như các giá trị trong chương 6.4, ví dụ như bảng dữ liệu này, bạn sẽ thấy rằng điện trở nhiệt dễ dàng vượt quá 100 ° C / W (có nghĩa là: nhiệt độ tăng 100 ° C cho tản điện 1W). Tôi nghĩ rằng việc này trong một trường hợp nhỏ sẽ không hoạt động, ngay cả với tản nhiệt (gói nhỏ, vì gói nhỏ) và rất nhiều diện tích đồng trên PCB của bạn được xác định để làm mát (vì vậy bạn sẽ không thể hưởng lợi từ gói nhỏ ).

Theo nguyên tắc thông thường, tôi thường sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính nếu tôi cần dòng điện rất thấp (chỉ vài mA ở mức tối đa), điện áp rất nhỏ (1..2V) và / hoặc điện áp cung cấp siêu sạch cho ADC hoặc tương tự khác các bộ phận. Có nghĩa là trong hầu hết các trường hợp tôi thích sử dụng SMPS. Những yêu cầu này thường đòi hỏi nhiều bộ phận hơn (nhiều mũ, điện trở, điện cảm) vì vậy đây là một giải pháp đắt tiền và 'phức tạp' hơn.

3. Tần số chuyển đổi, hoặc gợn điện áp đầu ra (nhiễu) có ảnh hưởng lớn đến hoạt động bình thường của MCU không?

Nếu bạn thiết kế SMPS dựa trên bảng dữ liệu của thiết bị, thường có các tính toán được đưa ra cho nhiễu gợn dự kiến. Đây thường là trong phạm vi 1% của điện áp đầu ra, không có vấn đề gì đối với các hệ thống kỹ thuật số. Tôi đã tạo một bảng excel ot mũ trợ giúp kích thước, v.v., nhưng tôi không biết cách thêm tệp đính kèm ở đây ...

Ngoài ra, bạn có thể muốn thêm một nắp 10..100nF cho mỗi đầu vào cung cấp của MCU và giữ các dấu vết từ Cap đến MCU ngắn để giảm thiểu độ gợn mà các chân nguồn nhìn thấy.

4. Kết luận, cách tốt nhất để cung cấp năng lượng cho nó với điện áp đầu vào giữa 6V và 12V là gì?

Vì bạn cần một bước điện áp lớn, hơn một vài mA và không đề cập đến bất kỳ yêu cầu đặc biệt nào liên quan đến tiếng ồn (đối với công cụ tương tự) tôi sẽ đi với SMPS.

Không có cách nào tốt nhất! Tất cả mọi thứ là một món hời.

Nói chung, các suplies năng lượng chuyển đổi có hiệu quả tốt hơn so với các suplies điện tuyến tính. Tuy nhiên, chúng ồn ào hơn nhiều so với phần đối tác của chúng. Điều này có thể rất quan trọng cho mạch chính xác.

Sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính làm hậu điều chỉnh cho các nguồn điện chế độ chuyển đổi là tốt, vì điều này đáp ứng 2 yếu tố: hiệu quả, độ ồn thấp. Nhưng, một lần nữa, mọi thứ là một món hời! Điều này giới thiệu nhiều chi phí BOM và nhiều không gian bảng hơn!

1. Sự khác biệt là gì ...

Họ khác với nguyên tắc làm việc của họ. Vui lòng sử dụng Google!

2. Điều chỉnh tuyến tính ...

Có lẽ, nó phụ thuộc vào thiết kế của bạn.

3. ...

Thông thường không nếu chân cung cấp điện đã được tách rời. Đây có thể là một vấn đề với các công cụ tương tự (ADC, DAC, ...)

4. ...

Tôi không thể trả lời điều này.

Bộ chuyển đổi Buck ồn hơn và đắt hơn do chuyển đổi và các thành phần bên ngoài như cuộn cảm (bạn thường không thể tích hợp cái này trong IC, nhưng các bộ phận bên ngoài khác có thể được tích hợp cho dòng điện nhỏ hơn). Tiếng ồn thường không phải là vấn đề đối với các mạch kỹ thuật số (tạo ra tiếng ồn của chính chúng trong đường ray cung cấp), nhưng có thể là quá nhiều đối với tín hiệu tương tự. Tùy thuộc vào lượng điện năng bạn cần, SMPS cũng có thể nhỏ hơn vì hiệu suất cao sẽ có nghĩa là công suất tiêu tán ít hơn (cuộn cảm có thể nhỏ hơn tản nhiệt).

Bộ chuyển đổi tuyến tính thường rẻ hơn và đối với công suất thấp hơn, nó cũng có thể nhỏ hơn nếu sử dụng ít thành phần bên ngoài, nhưng có thể cần một bộ tản nhiệt cho công suất lớn hơn.

Ngoài ra còn có tùy chọn sử dụng điện trở và Zener, nhưng điều này thường không được xem xét bởi vì Zener sẽ tiêu thụ năng lượng ngay cả khi MCU sẽ không (ví dụ trong khi ngủ / chờ), nhưng nó có thể là một lựa chọn khả thi nếu bạn vẽ hiện tại là tương đối không đổi.

Việc lựa chọn nguồn cung cấp năng lượng là một sự đánh đổi: bạn phải cân đối ngân sách, kích thước và tiếng ồn. Vì bạn có thể giảm từ 12 V xuống 3,3 V, nên các yêu cầu về nhiệt của bạn thường sẽ chiếm ưu thế, điều này thường sẽ chỉ ra bộ chuyển đổi buck. Tuy nhiên, nếu ứng dụng của bạn sử dụng nhiều ADC, trừ khi bạn có thể có tham chiếu điện áp bên ngoài, có thể thuận lợi khi sử dụng bộ chuyển đổi tuyến tính, ngay cả đối với kích thước lớn hơn. Sau đó, nếu ngân sách của bạn cho phép, bạn cũng có thể sử dụng cả hai : bạn có thể sử dụng bộ chuyển đổi buck để giảm từ 12 / 7.4V xuống 5 hoặc 4 V, sau đó sử dụng tuyến tính để chuyển sang 3.3 V. Điều này sẽ cho phép giảm nhỏ hơn bộ điều chỉnh tuyến tính, có thể tránh các vấn đề nhiệt.

SMPS sẽ cung cấp cho bạn một giải pháp đắt tiền hơn cho nội lực MCU.
Thay vào đó, Bộ điều chỉnh tuyến tính thay thế các bộ xử lý tín hiệu ít nhiễu hơn và Bộ chuyển đổi trong tính toán ổn định hơn.
Chuyển đổi nguồn cung cấp sẽ bù các tính toán chuyển mạch MCU nhanh. Thay vào đó, bạn thử các bộ điều chỉnh tuyến tính có thể cung cấp chất lượng DAC công bằng nhưng với chi phí cao hơn thì MCU của bạn sẽ bị treo.

Về một kết luận: các bộ điều chỉnh tuyến tính thường được cắm với MCU cung cấp thiết lập lại trên cơ quan giám sát treo.
Chuyển đổi là cách đắt hơn nhưng nhu cầu có liên quan đến từng ứng dụng.
Bạn có thể đã thích mua một mô-đun SMPS dễ dàng thích ứng với mọi nhu cầu.