Meilleure façon d'alimenter un microcontrôleur, SMPS vs régulateur linéaire

J'utilise un adaptateur 12V et une batterie Li-ion 2S 7,4V pour alimenter mes appareils électroniques, et j'aimerais également alimenter mon MCU avec. Pour basculer entre l'adaptateur et la batterie, j'utilise un BQ24133 de TI.

J'utiliserai un microcontrôleur STM32L4 et d'autres composants qui utilisent 3,3 V sur un PCB personnalisé. Tout ensemble sur 3V3 utilise jusqu'à 150 mA en mode de fonctionnement complet.

Je recherche la solution la meilleure / la moins chère.

1. Quelle est la différence entre un convertisseur abaisseur et un régulateur linéaire linéaire pour alimenter un microcontrôleur?

2. Un régulateur linéaire (petits boîtiers) serait-il une mauvaise idée car il chaufferait beaucoup car il y a une grande différence de tension (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

3. La fréquence de commutation ou l'ondulation de la tension de sortie (bruit) aurait-elle une grande influence sur le fonctionnement normal d'un MCU?

4. Conclusion, quelle est la meilleure façon de l'alimenter avec des tensions d'entrée comprises entre 6V et 12V?

Merci de votre patience et de vos réponses.

Merci pour toutes vos réponses. Vous avez tous été très utiles. Jusqu'à présent, j'utilisais le linéaire pour mes projets, mais je pense que maintenant je pourrais y retourner. Si vous voulez suivre la raison pour laquelle j'ai posé cette question et voir ce que je fais, suivez ce lien

1) Le convertisseur Buck est:

• plus cher qu'un régulateur linéaire
• prend généralement plus de place sur le PCB
• est généralement plus difficile à concevoir (parfois, juste un peu plus, parfois beaucoup plus)
• est plus bruyant (cependant, la quantité de bruit dépend de nombreux facteurs)

Mais il est en effet beaucoup plus économe en énergie, surtout s'il y a une grande différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie, ce qui est votre cas ici. Le buck produira presque la même puissance qu'il n'en faut à l'entrée (les rendements sont généralement ~ 80-90%), tandis que le régulateur linéaire prendra autant de courant en entrée qu'il doit fournir (ce qui signifie que l'efficacité est Vout / Vin , quelque chose comme ~ 27-44% dans votre cas, ce qui est très mauvais).

2) Oui, c'est en fait la seule raison pour laquelle le régulateur linéaire peut être un mauvais choix: l'efficacité (et votre calcul de chaleur dissipée est très bien). Maintenant, avoir autant de puissance dissipée conduit à deux gros problèmes:

• Vous aurez probablement besoin d'un dissipateur thermique (consultez la fiche technique du régulateur linéaire: à plus de 1 W, vous devez vérifier soigneusement même dans le boîtier TO-220. Lorsque vous utilisez des packages plus petits, ce n'est souvent pas possible du tout). Donc, cela annule le "plus de place sur les PCB" qui dérange les régulateurs buck.

• Si vous utilisez des batteries, cela signifie beaucoup moins d'autonomie. Parfois, vous ne pouvez pas vous le permettre (faites le calcul).

3) Probablement pas, si vous utilisez des solutions intégrées standard pour faire la démission. Ceux-ci sont faits pour alimenter les puces IC, et la fiche technique / notes d'application du contrôleur / régulateur abaisseur que vous choisirez devrait vous donner des informations sur la quantité de bruit que vous obtiendrez. Mais pour le fonctionnement numérique, le bruit d'alimentation n'est généralement pas vraiment un problème.

4) Compte tenu de l'énorme différence de tensions d'entrée / sortie, du courant dont vous avez besoin et du fait que vous fonctionnerez en partie sur piles, il semble logique de faire le choix. Mais vous devez vérifier tout cela vous-même. Peut-être que dans votre cas, il est acceptable d'avoir un énorme TO-220 dissipant 1,3 W dans votre boîtier, et le temps d'exécution dont vous avez besoin n'est pas si élevé.

Si vous optez pour un dollar, voici ce que je peux suggérer:

• Une solution consiste à opter pour un module complet. Vous n'avez alors pas besoin de concevoir quoi que ce soit. Vérifiez mouser / digikey, ils ont des convertisseurs DC-DC que vous pouvez simplement souder à votre PCB comme un régulateur linéaire. Si vous êtes un type de type aliexpress / ebay, vous y trouverez probablement beaucoup de choses bon marché également.
• Vous pouvez concevoir le vôtre (effrayant, je sais ... wow, un inducteur!). Ce que je peux suggérer dans ce cas, c'est de jeter un œil aux outils fournis par les différents fabricants (par exemple TI webench, mais la technologie linéaire en a un aussi, ...). Il vous suffit de leur fournir vos besoins (tension d'entrée / sortie, courant, ...) et cela crache beaucoup de designs possibles (vous verrez que certains d'entre eux sont en fait très simples) avec différentes puces de leur catalogue. Toutes les valeurs des composants passifs sont déjà calculées pour vous, et elles vous suggèrent même des numéros de pièces pour l'inductance, etc ... Il vous suffit donc de vérifier la disposition du PCB recommandée dans la documentation pour concevoir votre carte, acheter les pièces, souder, et ça devrait marcher.

1) SMPS est plus efficace pour convertir l'énergie, mais est plus bruyant à cause de la commutation. Le régulateur linéaire gaspille une puissance proportionnelle à la différence de tension d'entrée et de sortie, mais fonctionne avec un faible bruit.

2) Selon que vous pouvez ou non dissiper 1,3 W - seul le concepteur (vous) peut le savoir. 1,3 W peut être beaucoup de puissance pour un petit CI, vous pourriez donc avoir besoin d'un dissipateur de chaleur.

3) Différentes fréquences de commutation font du bruit sur différentes bandes de fréquences. Seul le concepteur (vous) peut savoir si ce sera un problème. Vous devez suivre une conception de référence pour le MCU spécifique pour vous assurer que l'ondulation de la tension d'entrée est suffisamment faible.

4) Dépend de la façon dont les compromis sont pondérés pour l'application spécifique. L'un ne peut être objectivement meilleur que l'autre. C'est presque toujours un compromis en ingénierie.

1. Quelle est la différence entre l'utilisation d'un convertisseur abaisseur et d'un régulateur linéaire linéaire

Explication très minimaliste:

SMPS

Un SMPS (alimentation à découpage, par exemple Buck) compare fondamentalement la tension de sortie à une référence donnée. Si la tension de sortie est supérieure à la référence, le régulateur coupe essentiellement la connexion entre l'entrée et la sortie. Si la tension de sortie est inférieure à la référence, l'entrée et la sortie sont connectées. La capacité et l'inductance de sortie sont utilisées pour stocker l'énergie côté sortie et lisser la tension de sortie.

avantages : efficacité et donc dissipation de puissance (-> chaleur) car les interrupteurs sont fermés (pas de courant -> pas de dissipation de puissance) ou ouverts (état de résistance le plus bas -> dissipation de puissance minimale).

inconvénients : pièces supplémentaires (généralement un écarteur de tension, inductance, capacité et peut-être une perle de ferrite pour la suppression du bruit) et prix plus élevé (appareil lui-même et pièces supplémentaires).

Linéaire

Contrairement à un SMPS, un régulateur linéaire n'utilise pas de transistor comme interrupteur (marche / arrêt) mais en mode linéaire (tout état entre marche et arrêt est également autorisé). Cela conduit à une dissipation de puissance accrue, comme vous pouvez l'imaginer comme une résistance régulée qui est ajustée pour une chute de tension de Vin-Vout.

avantages : bon marché; facile; moins / pas de bruit en raison de l'absence de commutation, peut ne nécessiter qu'un inconvénient de capacité : efficacité, en particulier à forte charge;

2. Un régulateur linéaire (petits boîtiers) serait-il une mauvaise idée car il chaufferait beaucoup car il y a une grande différence de tension (12-3,3 = 8,7, 8,7 * 0,15 = 1,3 W)?

Je répondrais à cela par oui. Si vous regardez ici et considérez des valeurs comme celles du chapitre 6.4 dans cette fiche, par exemple, vous verrez que la résistance thermique dépasse facilement 100 ° C / W (ce qui signifie: une augmentation de la température de 100 ° C pour une dissipation de puissance de 1W). Je pense que l'avoir dans un petit boîtier ne fonctionnera pas, même avec un dissipateur de chaleur (petit, car petit boîtier) et beaucoup de zone de cuivre sur votre PCB déterminée pour le refroidissement (vous ne pourrez donc pas du tout bénéficier du petit boîtier ).

En règle générale, j'utilise généralement un régulateur linéaire si j'ai besoin de courants très faibles (seulement quelques mA au maximum), d'une très faible chute de tension (1 à 2 V) et / ou d'une tension d'alimentation super propre pour un ADC ou un autre analogique les pièces. Dans la plupart des cas, je préfère utiliser SMPS. Ceux-ci nécessitent généralement plus de pièces (plus de bouchons, de résistances, d'inductance), c'est donc une solution plus coûteuse et «compliquée».

3. La fréquence de commutation ou l'ondulation de la tension de sortie (bruit) aurait-elle une grande influence sur le fonctionnement normal d'un MCU?

Si vous concevez un SMPS sur la base de la fiche technique des appareils, des calculs sont généralement fournis pour le bruit d'ondulation attendu. Ceux-ci sont généralement à moins de 1% de la tension de sortie, ce qui ne pose aucun problème pour les systèmes numériques. J'ai créé une feuille Excel pour aider les bouchons de dimension, etc., mais je ne sais pas comment ajouter une pièce jointe ici ...

De plus, vous voudrez probablement ajouter un capuchon de 10..100 nF à chaque entrée d'alimentation du MCU et garder les traces du capuchon au MCU courtes pour minimiser l'ondulation vue par les broches d'alimentation.

4. Conclusion, quelle est la meilleure façon de l'alimenter avec des tensions d'entrée entre 6V et 12V?

Comme vous avez besoin d'un grand pas de tension, de plus de quelques mA et ne mentionnez aucune exigence particulière concernant le bruit (pour les choses analogiques), j'irais avec un SMPS.

Il n'y a pas de meilleur moyen! Tout est une affaire.

Généralement, les alimentations à découpage ont une meilleure efficacité que les alimentations linéaires. Cependant, ils sont beaucoup plus bruyants que leur contrepartie. Cela peut être critique pour les circuits de précision.

L'utilisation d'un régulateur linéaire comme post-régulation pour les alimentations à découpage est bonne, car elle satisfait 2 facteurs: efficacité, faible bruit. Mais, encore une fois, tout est une affaire! Cela introduit plus de coûts de nomenclature et plus d'espace sur la carte!

1. Quelle est la différence ...

Ils diffèrent de leur principe de fonctionnement. Veuillez utiliser Google!

2. Est-ce qu'un régulateur linéaire ...

Cela dépend peut-être de votre conception.

3. ...

Généralement non si les broches d'alimentation ont été découplées. Cela pourrait être un problème avec les trucs analogiques (ADC, DAC, ...)

4. ...

Je ne peux pas répondre à cela.

Les convertisseurs Buck sont plus bruyants et plus chers en raison de la commutation et de composants externes comme l'inductance (vous ne pouvez généralement pas intégrer cela dans le circuit intégré, mais d'autres externes peuvent être intégrés pour des courants plus petits). Le bruit n'est généralement pas un problème pour les circuits numériques (qui génèrent leur propre bruit dans le rail d'alimentation), mais peut être trop pour l'analogique. Selon la quantité de puissance dont vous avez besoin, un SMPS peut également être plus petit car le rendement élevé signifie une puissance moins dissipée (l'inductance peut être plus petite que le dissipateur thermique).

Les convertisseurs linéaires sont généralement moins chers et pour des puissances inférieures, ils peuvent également être plus petits si peu de composants externes sont utilisés, mais peuvent nécessiter un dissipateur thermique pour des puissances plus importantes.

Il existe également la possibilité d'utiliser une résistance et un Zener, mais cela n'est généralement pas envisagé car le Zener consommera de l'énergie même si le MCU ne le fera pas (par exemple pendant la veille / veille), mais cela peut être une option viable si votre tirage actuel est relativement constant.

Le choix de l'alimentation est un compromis: vous devez équilibrer votre budget, la taille et le bruit. Étant donné que vous passez probablement de 12 V à 3,3 V, vos besoins thermiques domineront généralement, ce qui indiquera généralement un convertisseur abaisseur. Cependant, si votre application utilise fortement l'ADC, à moins que vous ne puissiez avoir une référence de tension externe, il peut être avantageux d'utiliser un convertisseur linéaire, même pour des tailles plus importantes. Ensuite, si votre budget le permet, vous pouvez également utiliser les deux : vous pouvez utiliser un convertisseur abaisseur pour passer de 12 / 7,4 V à 5 ou 4 V, puis utiliser un linéaire pour passer à 3,3 V. Cela permettra une baisse plus faible de le régulateur linéaire, évitant éventuellement les problèmes thermiques.

SMPS vous fournira une solution plus chère à l'alimentation interne du MCU.
Les régulateurs linéaires se répercutent plutôt dans les DAC moins bruyants et les commutateurs dans des calculs plus stables.
La commutation de l'alimentation compensera les calculs de commutation MCU rapides. Au lieu de cela, vous essayez des régulateurs linéaires qui peuvent fournir une qualité DAC équitable, mais au détriment des chances plus élevées, votre MCU va raccrocher.

Concernant une conclusion: les régulateurs linéaires sont souvent branchés avec MCU qui fournissent une réinitialisation sur le chien de garde.
La commutation est beaucoup plus coûteuse mais les exigences sont pertinentes pour chaque application.
Vous préférerez peut-être déjà acheter des modules SMPS qui sont facilement adaptables à tous les besoins.