วิธีที่ดีที่สุดในการจ่ายไฟให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ SMPS กับ Linear Regulator

ฉันใช้อะแดปเตอร์ 12V และแบตเตอรี่ Li-ion 2S 7.4V เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของฉันและฉันก็อยากจะใช้พลังงาน MCU ของฉันด้วย เพื่อสลับระหว่างอะแดปเตอร์และแบตเตอรี่ฉันใช้BQ24133จาก TI

ฉันจะใช้ STM32L4 MCU และส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ใช้ 3.3V บน PCB ที่กำหนดเอง ทุกอย่างรวมกันบน 3V3 ใช้สูงถึง 150 mA เมื่ออยู่ในโหมดการทำงานเต็มรูปแบบ

ฉันกำลังค้นหาทางออกที่ดีที่สุด / ราคาถูกที่สุด

1.อะไรคือความแตกต่างของการใช้ตัวแปลงบั๊กเทียบกับลิเนียร์ลิเนียร์ลิเนียร์เพื่อให้พลังงานแก่ MCU?

2.ตัวควบคุมเชิงเส้น (ชุดเล็ก) จะเป็นความคิดที่ไม่ดีเพราะมันจะร้อนขึ้นมากเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันมาก (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)

3.ความถี่ในการสลับเปลี่ยนหรือแรงดันเอาท์พุทระลอกคลื่น (เสียงรบกวน) จะมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานปกติของ MCU หรือไม่?

4.สรุป, วิธีที่ดีที่สุดในการใช้พลังงานกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตระหว่าง 6V และ 12V คืออะไร?

ขอบคุณสำหรับความอดทนและคำตอบของคุณ

ขอบคุณสำหรับคำตอบทั้งหมดของคุณ พวกคุณทุกคนช่วยเหลือดีมาก จนถึงตอนนี้ฉันใช้เส้นตรงสำหรับโครงการของฉัน แต่ฉันคิดว่าตอนนี้ฉันอาจจะไม่พอใจ หากคุณต้องการติดตามเหตุผลที่ฉันถามสิ่งนี้และดูสิ่งที่ฉันกำลังทำอยู่ให้ไปที่ลิงค์นี้

1)ตัวแปลงบั๊กคือ:

• แพงกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น
• โดยทั่วไปจะใช้พื้นที่มากขึ้นบน PCB
• โดยทั่วไปแล้วจะยากต่อการออกแบบ (บางครั้งก็มากไปหน่อยบางครั้งก็มีวิธีเพิ่มมากขึ้น)
• มีเสียงดังมากขึ้น (ปริมาณเสียงขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง)

แต่แท้จริงแล้วมันมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีความแตกต่างในแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันไฟฟ้าขาออกซึ่งเป็นกรณีของคุณที่นี่ เจ้าชู้จะให้กำลังเกือบเท่ากันกับอินพุต (โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพประมาณ 80-90%) ในขณะที่ตัวควบคุมเชิงเส้นจะใช้กระแสไฟฟ้ามากเท่ากับอินพุตตามที่ต้องการจ่าย (ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพเป็น Vout / Vin สิ่งที่ชอบ ~ 27-44% ในกรณีของคุณซึ่งแย่มาก)

2)ใช่นี่เป็นเหตุผลเดียวที่ทำให้ตัวควบคุมเชิงเส้นเป็นตัวเลือกที่ไม่ดี: ประสิทธิภาพ (และการคำนวณความร้อนที่กระจายออกของคุณนั้นดี) ตอนนี้การที่พลังที่กระจายไปมากนำไปสู่ปัญหาใหญ่สองประการ:

• คุณอาจต้องใช้ฮีทซิงค์ (ตรวจสอบแผ่นข้อมูลของตัวควบคุมเชิงเส้น: ที่อะไรที่มากกว่า 1W คุณต้องตรวจสอบอย่างรอบคอบแม้ในแพ็คเกจ TO-220 เมื่อใช้แพ็คเกจขนาดเล็กมักไม่สามารถทำได้) ดังนั้นสิ่งนี้จึงทำให้ "ห้องพักบน PCB" ไม่สะดวกต่อการควบคุมเจ้าชู้มากขึ้น

• หากคุณใช้แบตเตอรี่มันหมายถึงเวลาทำงานน้อยลง บางครั้งคุณไม่สามารถจ่ายได้ (ทำการคำนวณ)

3)ไม่น่าเป็นไปได้มากถ้าคุณใช้วิธีการแก้ปัญหาแบบบูรณาการแบบมาตรฐาน สิ่งเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้พลังงานแก่ชิป IC และแผ่นข้อมูล / แอปพลิเคชันของตัวควบคุม / ตัวควบคุมแบบขั้นตอนที่คุณเลือกควรให้ข้อมูลเกี่ยวกับจำนวนเสียงที่คุณจะได้รับ แต่สำหรับการใช้งานแบบดิจิทัลสัญญาณรบกวนไม่ได้เป็นปัญหาใหญ่นัก

4)ด้วยความแตกต่างอย่างมากของแรงดันไฟฟ้าอินพุต / เอาต์พุตกระแสที่คุณต้องการและความจริงที่ว่าคุณจะทำงานด้วยแบตเตอรี่บางส่วนดูเหมือนว่าเป็นทางเลือกที่สมเหตุสมผลในการใช้งาน แต่คุณต้องตรวจสอบทุกอย่างด้วยตัวเองอีกครั้ง บางทีในกรณีของคุณเป็นที่ยอมรับว่ามีขนาดใหญ่ถึง TO-220 กำลังกระจาย 1.3W ในกล่องหุ้มของคุณและรันไทม์ที่คุณต้องการนั้นไม่สูงมากนัก

ถ้าคุณไปหาเจ้าชู้นี่คือสิ่งที่ฉันสามารถแนะนำ:

• ทางออกหนึ่งคือไปสำหรับโมดูลที่สมบูรณ์ จากนั้นคุณไม่จำเป็นต้องออกแบบอะไรเลย ตรวจสอบ mouser / digikey พวกเขามีตัวแปลง DC-DC ที่คุณสามารถประสานกับ PCB ของคุณเหมือนตัวควบคุมเชิงเส้น หากคุณเป็นคนประเภท aliexpress / อีเบย์คุณอาจจะพบของราคาถูกมากมายในนั้น
• คุณสามารถออกแบบของคุณเอง (น่ากลัวฉันรู้ว่า ... ว้าวตัวเหนี่ยวนำ!) สิ่งที่ฉันสามารถแนะนำในกรณีนี้คือการได้ดูเครื่องมือที่ผู้ผลิตต่างๆให้บริการ (เช่น TI webench แต่เทคโนโลยีเชิงเส้นก็มีหนึ่งเช่นกัน ... ) คุณเพียงแค่จัดหาความต้องการของคุณ (แรงดันไฟฟ้าอินพุต / เอาต์พุตกระแสไฟฟ้า ... ) และแยกการออกแบบที่เป็นไปได้มากมาย (คุณจะเห็นว่าบางส่วนของพวกเขานั้นง่ายมาก) ด้วยชิปที่แตกต่างจากแคตตาล็อก ค่าส่วนประกอบแฝงทั้งหมดจะถูกคำนวณแล้วสำหรับคุณและพวกเขายังแนะนำหมายเลขชิ้นส่วนสำหรับตัวเหนี่ยวนำ ฯลฯ ... ดังนั้นคุณต้องตรวจสอบเค้าโครง PCB ที่แนะนำจากเอกสารประกอบเพื่อออกแบบบอร์ดของคุณซื้อชิ้นส่วนบัดกรี และมันควรจะทำงาน

1) SMPS มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงพลังงาน แต่จะมีเสียงดังมากขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยน ตัวควบคุมเชิงเส้นจะสิ้นเปลืองพลังงานตามสัดส่วนกับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต แต่ทำงานด้วยสัญญาณรบกวนต่ำ

2) ขึ้นอยู่กับว่าคุณสามารถกระจาย 1.3W ได้หรือไม่ - มีเพียงผู้ออกแบบ (คุณ) เท่านั้นที่สามารถรู้ได้ 1.3W สามารถใช้พลังงานได้มากสำหรับ IC ขนาดเล็กดังนั้นคุณอาจต้องใช้แผ่นระบายความร้อน

3) ความถี่สวิตชิ่งที่แตกต่างกันทำให้เกิดเสียงในย่านความถี่ที่แตกต่างกัน มีเพียงผู้ออกแบบ (คุณ) เท่านั้นที่สามารถรู้ได้ว่าจะเป็นปัญหาหรือไม่ คุณควรทำตามการออกแบบอ้างอิงสำหรับ MCU ที่เฉพาะเจาะจงเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมป้อนเข้าต่ำ

4) ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของการแลกเปลี่ยนสำหรับการใช้งานเฉพาะ ไม่มีใครดีกว่าคนอื่นอย่างเป็นกลาง มันเป็นการแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรม

1. อะไรคือความแตกต่างในการใช้ตัวแปลงบั๊กกับตัวควบคุมเชิงเส้นแบบเชิงเส้น

คำอธิบายที่เรียบง่ายมาก:

SMPS

SMPS (แหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์เช่น Buck) โดยทั่วไปจะเปรียบเทียบแรงดันเอาต์พุตกับการอ้างอิงที่กำหนด หากแรงดันเอาท์พุทสูงกว่าการอ้างอิงตัวควบคุมจะตัดการเชื่อมต่อระหว่างอินพุตและเอาต์พุตโดยทั่วไป หากแรงดันเอาต์พุตต่ำกว่าการอ้างอิงอินพุตและเอาต์พุตจะเชื่อมต่อ ความจุเอาต์พุตและตัวเหนี่ยวนำถูกใช้เพื่อเก็บพลังงานที่ด้านเอาต์พุต

ประโยชน์ที่ได้รับ : ประสิทธิภาพและการกระจายพลังงาน (-> ความร้อน) เนื่องจากสวิตช์ถูกปิด (ไม่มีกระแส -> ไม่มีการกระจายพลังงาน) หรือเปิด (สถานะความต้านทานต่ำสุด -> การกระจายพลังงานน้อยที่สุด)

ข้อเสีย : ชิ้นส่วนเพิ่มเติม (โดยปกติจะเป็นตัวเบี่ยงแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำความจุและอาจเป็นเฟอร์ไรต์บีดเพื่อลดเสียงรบกวน) และราคาที่เพิ่มขึ้น (อุปกรณ์ตัวเองและชิ้นส่วนเพิ่มเติม)

เชิงเส้น

ซึ่งแตกต่างจาก SMPS ตัวควบคุมเชิงเส้นไม่ได้ใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ (เปิด / ปิด) แต่ในโหมดเชิงเส้น (อนุญาตให้มีสถานะระหว่างเปิดและปิดใด ๆ ) สิ่งนี้นำไปสู่การกระจายพลังงานที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากคุณสามารถจินตนาการว่าทรานซิสเตอร์เป็นตัวต้านทานที่มีการควบคุมซึ่งจะถูกปรับเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าของ Vin-Vout

ประโยชน์ : ราคาถูก; ง่าย; เสียงรบกวนน้อยลง / ไม่มีเนื่องจากไม่มีการสลับอาจต้องการเพียงข้อเสียของตัวเก็บประจุ : ประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโหลดสูง

2. ตัวควบคุมเชิงเส้น (ชุดเล็ก) จะเป็นความคิดที่ไม่ดีเพราะมันจะร้อนขึ้นมากเพราะมีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันมาก (12-3.3 = 8.7, 8.7 * 0.15 = 1.3W)

ฉันจะตอบคำถามนี้ด้วยใช่ หากคุณดูที่นี่และพิจารณาค่าเช่นเดียวกับบทที่ 6.4 ในตัวอย่างแผ่นข้อมูลนี้คุณจะเห็นว่าความต้านทานความร้อนได้ง่ายกว่า 100 ° C / W (ความหมาย: อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 100 ° C สำหรับการกระจายพลังงาน 1W) ฉันคิดว่าการใช้สิ่งนี้ในกรณีเล็ก ๆ จะไม่ทำงานแม้ว่าจะมีขนาดเล็ก (เพราะขนาดเล็ก) และพื้นที่ทองแดงจำนวนมากบน PCB ที่กำหนดไว้สำหรับการระบายความร้อน (ดังนั้นคุณจะไม่ได้รับประโยชน์จากชุดเล็ก ๆ เลย )

ตามกฎของหัวแม่มือฉันมักจะใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นถ้าฉันต้องการกระแสต่ำมาก (เพียงไม่กี่ mA ที่สูงสุด), แรงดันไฟฟ้าตกที่เล็กมาก (1..2V) และ / หรือแรงดันไฟฟ้าที่สะอาดเป็นพิเศษสำหรับ ADC หรืออนาล็อกอื่น ๆ ชิ้นส่วน หมายถึงในกรณีส่วนใหญ่ฉันชอบที่จะใช้ SMPS สิ่งเหล่านี้ต้องการชิ้นส่วนที่มากขึ้น (ตัวพิมพ์ใหญ่ตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำมากขึ้น) ดังนั้นจึงมีราคาแพงกว่าและวิธีการแก้ปัญหา 'ซับซ้อน'

3. ความถี่ในการสลับเปลี่ยนหรือแรงดันเอาท์พุทระลอกคลื่น (เสียงรบกวน) จะมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานปกติของ MCU หรือไม่?

หากคุณออกแบบ SMPS ตามแผ่นข้อมูลอุปกรณ์มักจะมีการคำนวณเสียงรบกวนระลอกคลื่นตามที่คาดไว้ สิ่งเหล่านี้มักจะอยู่ภายใน 1% ของแรงดันเอาต์พุตซึ่งไม่มีปัญหาสำหรับระบบดิจิตอล ฉันได้สร้างตัวช่วยสร้างมิติของ excel sheet ot แต่ฉันไม่รู้วิธีเพิ่มสิ่งที่แนบมาที่นี่ ...

นอกจากนี้คุณอาจต้องการเพิ่มฝาครอบ 10..100nF ไปยังอินพุตอินพุตของ MCU แต่ละตัวและเก็บการติดตามจาก Cap to MCU ให้สั้นเพื่อลดระลอกคลื่นที่มองเห็นได้ด้วยหมุดไฟ

4. สรุป, วิธีที่ดีที่สุดในการใช้พลังงานกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตระหว่าง 6V และ 12V คืออะไร?

ตามที่คุณต้องการขั้นตอนแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่มากกว่าสองสาม mA และไม่ได้กล่าวถึงข้อกำหนดพิเศษใด ๆ เกี่ยวกับเสียงรบกวน (สำหรับวัตถุอะนาล็อก) ฉันจะไปกับ SMPS

ไม่มีวิธีที่ดีที่สุด! ทุกอย่างเป็นการต่อรอง

โดยทั่วไปการสลับโหมดพลังงานจะมีประสิทธิภาพที่ดีกว่าการใช้พลังงานเชิงเส้น อย่างไรก็ตามพวกมันดูน่ากลัวกว่าส่วนเคาน์เตอร์ นี่อาจเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวงจรที่มีความแม่นยำ

การใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นเป็นโพสต์ - ระเบียบสำหรับ suplies พลังงานโหมดสวิตช์เป็นสิ่งที่ดีเพราะสิ่งนี้ตอบสนอง 2 ปัจจัย: ประสิทธิภาพเสียงรบกวนต่ำ แต่อีกครั้งทุกอย่างเป็นการต่อรอง! สิ่งนี้จะแนะนำค่าใช้จ่าย BOM เพิ่มเติมและพื้นที่บอร์ดเพิ่มเติม!

1. อะไรคือความแตกต่าง ...

พวกเขาแตกต่างจากหลักการทำงานของพวกเขา โปรดใช้ Google!

2. ตัวควบคุมเชิงเส้นจะ ...

อาจจะขึ้นอยู่กับการออกแบบของคุณ

3. ...

โดยปกติจะไม่มีถ้าหมุดแหล่งจ่ายไฟถูกแยกออก นี่อาจเป็นปัญหากับอุปกรณ์อะนาล็อก (ADC, DAC, ... )

4. ...

ฉันไม่สามารถตอบคำถามนี้

ตัวแปลงบั๊กมีเสียงดังและมีราคาแพงมากขึ้นเนื่องจากการสลับและส่วนประกอบภายนอกเช่นตัวเหนี่ยวนำ (โดยปกติคุณไม่สามารถรวมสิ่งนี้ใน IC ได้ แต่ภายนอกอาจรวมเข้ากับกระแสที่เล็กลง) เสียงรบกวนมักจะไม่เป็นปัญหาสำหรับวงจรดิจิตอล (ซึ่งสร้างเสียงของตัวเองในรางจ่ายไฟ) แต่อาจมากเกินไปสำหรับอนาล็อก ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่คุณต้องการ SMPS อาจมีขนาดเล็กลงเนื่องจากประสิทธิภาพสูงจะหมายถึงพลังงานที่กระจายไปน้อยกว่า (ตัวเหนี่ยวนำอาจมีขนาดเล็กกว่าฮีทซิงค์)

ตัวแปลงเชิงเส้นมักจะถูกกว่าและสำหรับกำลังที่น้อยกว่ามันอาจจะเล็กกว่าหากใช้ส่วนประกอบภายนอกเพียงไม่กี่ตัว แต่อาจต้องใช้ฮีทซิงค์สำหรับพลังที่ใหญ่กว่า

นอกจากนี้ยังมีตัวเลือกในการใช้ตัวต้านทานและซีเนอร์ แต่มักจะไม่ได้รับการพิจารณาเนื่องจากซีเนอร์จะใช้พลังงานแม้ว่า MCU จะไม่ใช้ (ตัวอย่างเช่นระหว่างการพัก / สแตนด์บาย) แต่อาจเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้หาก คุณวาดปัจจุบันค่อนข้างคงที่

การเลือกแหล่งจ่ายไฟเป็นข้อเสีย: คุณต้องสมดุลงบประมาณขนาดและเสียงรบกวน เนื่องจากคุณอาจลดลงจาก 12 V เป็น 3.3 V ข้อกำหนดด้านความร้อนของคุณมักจะมีอิทธิพลซึ่งมักจะระบุตัวแปลงบั๊ก อย่างไรก็ตามหากแอปพลิเคชันของคุณใช้ ADC เป็นอย่างมากนอกเสียจากว่าคุณจะมีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าภายนอกอาจเป็นประโยชน์ในการใช้ตัวแปลงเชิงเส้นแม้ในขนาดที่ใหญ่กว่า จากนั้นหากงบประมาณของคุณอนุญาตคุณยังสามารถใช้ทั้งสองอย่าง : คุณอาจใช้ตัวแปลงบั๊กเพื่อปล่อยจาก 12 / 7.4V เป็น 5 หรือ 4 V แล้วใช้เส้นตรงเพื่อไปที่ 3.3 V. ซึ่งจะทำให้การปล่อยลดลงเล็กน้อย ตัวควบคุมเชิงเส้นอาจหลีกเลี่ยงปัญหาเรื่องความร้อน

SMPS จะให้โซลูชันที่มีราคาแพงกว่าสำหรับการใช้พลังงานภายในของ MCU
เครื่องควบคุมเชิงเส้นจะแสดงผลใน DAC ที่มีเสียงดังน้อยกว่าและสลับไปมาในการคำนวณที่เสถียรยิ่งขึ้น
แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะชดเชยการคำนวณการสลับ MCU อย่างรวดเร็ว แต่คุณลองใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นอาจให้คุณภาพ DAC ที่เท่าเทียมกัน แต่ด้วยค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าโอกาสที่ MCU ของคุณจะวางสาย

เกี่ยวกับข้อสรุป: หน่วยงานกำกับดูแลเชิงเส้นมักจะเสียบกับ MCU ซึ่งให้การตั้งค่าบนสุนัขเฝ้าบ้านแขวน
การสลับเป็นวิธีที่มีราคาแพงกว่า แต่ความต้องการนั้นเกี่ยวข้องกับแต่ละแอปพลิเคชัน
คุณอาจต้องการซื้อโมดูล SMPS ที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการ