マイクロコントローラに電力を供給する最良の方法、SMPS vsリニアレギュレータ

12Vアダプターと2S 7.4V Li-ionバッテリーを使用して電子機器に電力を供給していますが、MCUにも電力を供給したいと考えています。アダプターとバッテリーを切り替えるには、TIのBQ24133を使用しています。

STM32L4 MCUと、カスタムPCBで3.3Vを使用する他のコンポーネントを使用します。3V3のすべてが一緒になっている場合、フル動作モードでは最大150 mAを使用します。

私は最高の/最も安いソリューションを探しています。

1.降圧コンバータとリニアリニアレギュレータを使用してMCUに電力を供給することの違いは何ですか？

2.電圧に大きな差があるため（12-3.3 = 8.7、8.7 * 0.15 = 1.3W）、リニアレギュレータ（小さなパッケージ）が非常に熱くなるため、悪い考えでしょうか。

3.スイッチングの周波数、または出力電圧リップル（ノイズ）は、MCUの通常の動作に大きな影響を与えますか？

4.結論として、6Vから12Vの入力電圧で電力を供給する最良の方法は何ですか？

忍耐とご回答ありがとうございます。

答えてくれてありがとう。あなたはすべてとても役に立ちました。今まで、私は自分のプロジェクトにリニアを使用していましたが、今はお金を稼ぐかもしれません。私がこれを尋ねた理由をフォローアップし、私が作っているものを確認したい場合は、このリンクに従ってください

1）降圧コンバータは次のとおりです。

• リニアレギュレータよりも高価
• 通常、PCBにより多くのスペースを取ります
• 通常、設計がより困難です（場合によっては、もう少し、場合によってはもっと）
• ノイズが多い（ただし、ノイズの量は多くの要因に依存します）

しかし、特に入力電圧と出力電圧に大きな差がある場合は、実際にはるかに電力効率が高くなります。降圧レギュレータは入力で消費する電力とほぼ同じ電力を出力します（効率は通常〜80-90％です）が、リニアレギュレータは入力に必要なだけの電流を消費します（つまり、効率はVout / Vin 、あなたのケースでは27〜44％のようなもので、非常に悪いです）。

2）はい、これが実際にリニアレギュレータが悪い選択になる唯一の理由です：効率（そして放散熱の計算は問題ありません）。今、そのように多くの電力が消費されると、2つの大きな問題につながります。

• おそらくヒートシンクが必要になります（リニアレギュレータのデータシートを確認してください。1Wを超える場合は、TO-220パッケージでも慎重に確認する必要があります。小さなパッケージを使用する場合は、ほとんど不可能です）。したがって、これは降圧レギュレータの不便な「PCBの余地」を無効にします。

• バッテリーで実行すると、実行時間が大幅に短縮されます。時々、あなたはそれを買う余裕がない（計算をする）。

3）標準的な統合ソリューションを使用してステップダウンを行う場合、ほとんどの場合そうではありません。これらは、ICチップに電力を供給するために作られており、選択するステップダウンコントローラー/レギュレーターのデータシート/アプリケーションノートは、ノイズの量に関する情報を提供するものです。しかし、デジタル動作では、電源ノイズは通常それほど問題ではありません。

4）入力/出力電圧、必要な電流、バッテリーで部分的に動作するという事実の大きな違いを考えると、降圧に行くことは論理的な選択のようです。ただし、すべてを自分で再確認する必要があります。たぶんあなたのケースでは、エンクロージャ内で1.3Wを消費する巨大なTO-220が許容され、必要なランタイムはそれほど高くありません。

あなたがお金を払うなら、ここに私が提案できるものがあります：

• 1つの解決策は、完全なモジュールを使用することです。その後、何も設計する必要はありません。マウス/デジキーを確認してください。リニアレギュレータのようにPCBにはんだ付けできるDC-DCコンバーターがあります。あなたがaliexpress / ebayのような人なら、おそらくそこにもたくさんの安いものが見つかるでしょう。
• 独自に設計することができます（怖い、わかっています...うわー、インダクタ！）。この場合、私が提案できるのは、さまざまなメーカーが提供するツールを調べることです（たとえば、TIのWebenchですが、Linearテクノロジーにもあります...）。要件（入力/出力電圧、電流など）を提供するだけで、カタログとは異なるチップを使用して、多くの可能なデザイン（実際には非常にシンプルなものがいくつか表示されます）が生成されます。すべての受動部品の値はすでに計算されており、インダクタなどの部品番号も示しています。したがって、ボードの設計、部品の購入、はんだ付け、動作するはずです。

1）SMPSはエネルギーの変換により効果的ですが、スイッチングのためにノイズが多くなります。リニアレギュレータは、入力電圧と出力電圧の差に比例して電力を浪費しますが、低ノイズで動作します。

2）1.3Wを放散できるかどうかに依存します-設計者（あなた）だけがそれを知ることができます。1.3Wは小さなICにとって大きな電力になる可能性があるため、ヒートシンクが必要になる場合があります。

3）異なるスイッチング周波数は、異なる周波数帯域でノイズを発生させます。それが問題になるかどうかを知ることができるのは設計者（あなた）だけです。特定のMCUのリファレンスデザインに従って、入力電圧リップルを許容できるほど低くする必要があります。

4）特定のアプリケーションに対するトレードオフの重み付けに依存します。一方を他方より客観的に良くすることはできません。それはほとんど常にエンジニアリングのトレードオフです。

1. 降圧コンバータとリニアリニアレギュレータの使用の違いは何ですか

非常に最小限の説明：

SMPS

SMPS（バックなどのスイッチモード電源）は、基本的に出力電圧を特定のリファレンスと比較します。出力電圧がリファレンスを超える場合、レギュレータは基本的に入力と出力の間の接続を切断します。出力電圧がリファレンスより低い場合、入力と出力が接続されます。出力容量とインダクタンスは、出力側にエネルギーを蓄積し、出力電圧を平滑化するために使用されます。

利点：スイッチが閉じている（電流なし->電力損失なし）か、開いている（最小抵抗状態->最小の電力損失）ため、効率、したがって電力損失（->熱）。

欠点：追加部品（通常、電圧デバイダー、インダクタンス、キャパシタンス、およびノイズ抑制のためのフェライトビーズ）および価格の上昇（デバイス自体および追加部品）。

線形

SMPSとは異なり、リニアレギュレータはトランジスタをスイッチ（オン/オフ）として使用しませんが、リニアモード（オンとオフの間の任意の状態も許可されます）。トランジスタは、Vin-Voutの電圧降下に合わせて調整されている安定化抵抗器であると想像できるため、消費電力が増加します。

利点：安い。簡単; スイッチングがないためノイズが少なく/ない場合は、容量のマイナス面のみが必要な場合があり ます。特に高負荷時の効率

2. 電圧に大きな違いがあるため（12-3.3 = 8.7、8.7 * 0.15 = 1.3W）、リニアレギュレータ（小さなパッケージ）は非常に熱くなるため、悪い考えでしょうか？

はいと答えます。ここを見て、たとえばこのデータシートの 6.4章のような値を検討すると、熱抵抗が100°C / Wを簡単に超えることがわかります（つまり、1Wの電力消費で100°Cの温度上昇）。これは小さなケースに入れても機能しないと思います。（小さなパッケージなので）ヒートシンクとPCB上の多くの銅領域が冷却のために決定されていても（だからあなたはまったく小さなパッケージの恩恵を受けることができません）。

経験則として、私は通常、非常に低い電流（最大で数mA）、非常に小さな電圧降下（1..2V）、および/またはADCまたは他のアナログの超クリーンな電源電圧が必要な場合、リニアレギュレータを使用します部品。ほとんどの場合、私はSMPSを使用することを好みます。これらは通常、より多くの部品（より多くのコンデンサ、抵抗、インダクタンス）を必要とするため、より高価で「複雑な」ソリューションです。

3. スイッチングの周波数、または出力電圧リップル（ノイズ）は、MCUの通常の動作に大きな影響を与えますか？

デバイスのデータシートに基づいてSMPSを設計する場合、通常、予想されるリップルノイズの計算が行われます。これらは通常、出力電圧の1％以内であり、デジタルシステムでは問題ありません。Excelシートまたは寸法キャップなどを作成しましたが、ここに添付ファイルを追加する方法がわかりません...

また、MCUの各電源入力に10..100nFのキャップを追加し、CapからMCUへのトレースを短くして、電源ピンで見られるリップルを最小限に抑えることもできます。

4. 結論として、6V〜12Vの入力電圧で電力を供給する最良の方法は何ですか？

大きな電圧ステップが必要なため、数mA以上で、ノイズに関する特別な要件については言及していませんでした（アナログの場合）。SMPSを使用します。

最善の方法はありません！すべてがお買い得です。

一般に、スイッチモード電源は、リニア電源よりも効率がよくなります。しかし、彼らは彼らのカウンターパートよりもはるかにうるさいです。これは、精密回路にとって重要な場合があります。

スイッチモード電源のポストレギュレーションとしてリニアレギュレータを使用するのは良いことです。これは、効率と低ノイズという2つの要素を満たしているためです。しかし、再び、すべてがお買い得です！これにより、BOMコストとボードスペースが増えます。

1. 違いはなんですか ...

彼らは彼らの動作原理とは異なります。Googleを使用してください！

2. リニアレギュレーターでしょうか...

たぶん、それはあなたのデザインに依存します。

3. ...

電源ピンが切り離されている場合、通常はありません。これは、アナログの問題（ADC、DACなど）の可能性があります

4. ...

これには答えられません。

降圧型コンバータは、スイッチングやインダクタなどの外部コンポーネントのためにノイズが多く高価です（通常、これをICに統合することはできませんが、他の外部は小さな電流用に統合される場合があります）。通常、ノイズはデジタル回路（電源レールで独自のノイズを生成します）では問題になりませんが、アナログでは大きすぎる可能性があります。必要な電力量によっては、SMPSも小さくなる場合があります。これは、効率が高いために消費される電力が少なくなるためです（インダクタはヒートシンクよりも小さい可能性があります）。

通常、リニアコンバーターは安価であり、低消費電力の場合、使用する外部コンポーネントが少ない場合は小さくなりますが、大電力の場合はヒートシンクが必要になる場合があります。

抵抗器とツェナーを使用するオプションもありますが、MCUが（たとえばスリープ/スタンバイ中に）ツェナーが電力を消費しない場合でも電力を消費するため、これは通常は考慮されていませんが、現在の引き分けは比較的一定です。

電源の選択はトレードオフです。予算、サイズ、ノイズのバランスを取る必要があります。12 Vから3.3 Vに低下する可能性があるため、通常は温度要件が支配的であり、これは通常降圧コンバーターを示します。ただし、アプリケーションでADCを多用する場合は、外部電圧リファレンスを使用できない限り、サイズが大きくてもリニアコンバーターを使用する方が有利な場合があります。次に、予算が許せば、両方を使用することもできます。バックコンバーターを使用して12 / 7.4Vから5または4 Vにドロップし、次にリニアを使用して3.3 Vに移行します。おそらく熱問題を回避するリニアレギュレータ。

SMPSは、MCUの内部電源に対してより高価なソリューションを提供します。
代わりに、線形レギュレータはノイズの少ないDACで再実行し、より安定した計算でDACを切り替えます。
スイッチング電源は、高速のMCUスイッチング計算を補償します。代わりに、リニアレギュレータを使用すると、同等のDAC品質が得られますが、MCUがハングアップする可能性が高くなります。

結論について：リニアレギュレータは、ハングウォッチドッグでリセットを提供するMCUで接続されることがよくあります。
切り替えはかなり高価ですが、要求は各アプリケーションに関連しています。
あらゆるニーズに簡単に適応できるSMPSモジュールを購入することを既に好むかもしれません。