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Autor Tópico: [Questão] Reguladores lineares vs comutados  (Lida 4722 vezes)

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Offline Marvin

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[Questão] Reguladores lineares vs comutados
« em: 26 de Julho de 2012, 23:34 »
Boas,

Tenho andado a pesquisar algumas coisas acerca destes dois tipos de circuitos e tinha ficado com a ideia de que os comutados (não sei se é este o nome correcto para switching regulator) são mais eficientes que os lineares, mas depois de ler mais algumas coisas percebi que os lineares em certos tipos de aplicações produzem menos ruido... fiquei confuso!

Alguem me podia explicar as principais diferenças de ambos e quando devemos utilizar um ou outro?

Se me puderem tambem ajudar a escolher o melhor para o meu circuito melhor ainda!

O meu circuito neste momento consome 0,5 a 0,8amp a 5V (2,5 a 4 watts) , queria utilizar um input dc com tensão de 9,6v. Tenho um microcontrolador ARM e uns sensores por isso é importante haver pouco ruido, mas a eficiencia do circuito tambem é importante para aumentar a autonomia.

Tenho um segundo circuito pode consumir no maximo 3A a 5V ( 15watts) e que iria receber tensão de uma bateria dc de 7,2v.

Desculpem-me a ignorancia acerca de electronica analogica mas isto tambem poderá ajudar outros com os seus circuitos!
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Offline senso

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #1 em: 26 de Julho de 2012, 23:52 »
Reguladores comutados, os mais simples, utilização um Mosfet que carrega uma inductância, e tem por lá uns diodos e uns condensadores para filtrar e dar uma voltagem DC mais limpa e para tirar algum do ripple, esse MOSFET, á uns anos atrás comutava a umas dezenas de Khz, e o ruido era mais facil de filtrar, mas a eficiência é menor e precisas de bobines massivas, actualmente já tens reguladores totalmente integrados que é só adicionar a bobine e os passivos para formar o divisor de tensão para dar feedback ao regulador e que funcionam a 800Khz, ou 1.2Mhz ou até mesmo a 2Mhz, a vantagem é que usas bobines com 20-30-40uH que são mais pequenas e baratas, o contra é que passas a ter uma estação de rádio no pcb e todos os traços funcionam como antenas, mas o ruido se o pcb for bem feito e aplicares os devidos condensadores de decoupling e snubbers para atenuar ao máximo o ripple tens uma voltagem bastante limpa.
Para solução simples, tens por exemplo os LM2676, que são muito usados em reguladores ao preço da chuva vendidos no eBay:
http://www.ti.com/product/lm2676

Com um regulador pouco maior que D2PAK tens 3A disponiveis com uma eficiencia bastante melhor que um regulador linear.
Se tiveres circuitos analógicos, ai o melhor será usar um pré-regulador comutado para gerar uma tensão ligeiramente superior á tensão minima de entrada de um regulador linear e usas um regulador comutado, e ai tens o melhor dos dois mundos, pois consegues melhor eficiencia do que se usasses o regulador linear directamente e consegues sempre uma voltagem de alimentação mais limpa que usando só o comutado.

Mas para um micro e sensores digitais, diria que um regulador comutado funciona perfeitamente, se assim não fosse nenhum dos nossos pc's, ou tablets, ou telemoveis funcionavam.
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Offline Marvin

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #2 em: 27 de Julho de 2012, 00:14 »
Obrigado Senso! Fiquei mais esclarecido e já estou a começar a ver o caminho a seguir, mas ainda tenho duvidas.

Em relação á dissipação do calor, algum dos circuitos é melhor? Vou precisar de uma caixa estanque e o circuito não pode aquecer demasiado.

Outra coisa é que para alem de uns sensores digitais tambem tenho sensores analogicos no circuito, ha alguma diferença a nivel dos 2 tipos de regulador para os sensores analogicos?

ultima pergunta por agora, a nivel de preço qual o mais economico?
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Offline senso

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #3 em: 27 de Julho de 2012, 00:32 »
Os comutados vão aquecer menos que um linear pois a eficiência é mais elevada(se bem desenhado(aplicado), convem é usar tambem bobines com uma baixa resistência DC para minimizar as perdas resistivas.
Para dissipação de calor, convem usar um grande plano de cobre, tanto na layer de cima como de baixo e usar muitas vias(stitching das layers), normalmente os reguladores comutados o tab do package está ligado ao pino da massa para tirar partido do plano de massa, mas alguns reguladores tens de usar planos separados pois têm outra voltagem que não a massa no tab.

O melhor será testar, para saber como os sensores se comportam, mas podes e deves dividir os planos de massa entre plano digital e analógico e ligar os dois com uma ferrite com uma baixa resistência e apenas num sitio, para evitar loops de massa, isso aliado a condensadores, tanto eletroliticos como ceramicos(nos ceramicos usar talvez 100nF, 10nF e 10pF) e deve ficar suficientemente limpo, podes sempre usar tambem uma referência de voltagem externa na ADC, porque não vale de muito ter uma secção analógica ultra limpa para depois usar o ADC interno de um micro a correr a 80Mhz com ruideira por todo o lado, isso e meter o processador em modo de SLEEP durante as conversões, normalmente todos os micros mais recentes têm modos de sleep desenhados precisamente para isso.

Quanto a custos, um regulador comutado é mais caro, tanto o chip em si, como os componentes adicionais que são precisos.
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Offline Marvin

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #4 em: 27 de Julho de 2012, 10:47 »
Excelente resposta, perfeitamente esclarecido!

Portanto comutação "all the way", então em que situação se deve de usar lineares? Quando for para conter os custos e a eficiencia é neglegenciavel?
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Offline Njay

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #5 em: 27 de Julho de 2012, 12:25 »
Se precisares de ultra-baixo ruído (o que não me parece ser o caso do tipico "projecto arduino") podes usar um linear. Em algumas situações, com baixa corrente e tensão de saída próxima da tensão de entrada, o linear pode ser mais eficiente do que o comutado. Se a dissipação for pouca, podes usar um linear que é mais barato e mais pequeno.

Como é que sabemos se são as condições certas? É preciso fazer contas, nomeadamente à dissipação, e nas várias condições de carga e tensão de entrada que o conversor vai funcionar (chamdo "ponto de funcionamento"). Para um determinado ponto de funcionamento, eu faço mais ou menos assim:

Linear
Num linear é fácil calcular a potência dissipada (Pd). Entra a tensão Vin e sai a tensão Vout; a corrente de saída é Iout, que é aproximadamente igual à de entrada. Qual é a potência dissipada no linear? É aproximadamente a tensão que ele vê vezes a corrente que o atravessa, ou seja, (Vin - Vout) x Iout.

Comutado
Num comutado já não é tão linear :). A energia que sai é a energia que entra menos as perdas pela ineficiência do conversor, logo ele vai dissipar essas perdas (Pd) em calor. No linear é fácil calcular porque a corrente que entra é aproximadamente igual à corrente que sai; num comutado ambas são diferentes, e portanto temos que ir por outro caminho, o das potências:

  Pout = Pin x Eff => Pin = Pout / Eff
  Pd = Pin - Pout = Pout / Eff - Pout = Pout x (1/Eff - 1)
  Sabendo Pout (Vout x Iout), Pd = Vout x Iout x (1/Eff - 1)

Agora é preciso calcular isto em vários pontos de funcionamento para se ter uma curva de dissipação, achar o máximo. E comparar ambos os reguladores em vários pontos de funcionamento; aqui temos que ter conhecimento sobre o que estamos a alimentar. Por exemplo, um linear às vezes é mais eficente com cargas leves do que um comutado; se sabemos que a nossa carga passa 99.9% do tempo nesse ponto de funcionamento, pode ser melhor do que o comutado mesmo que este seja mto mais eficiente com cargas médias - altas.
« Última modificação: 27 de Julho de 2012, 13:50 por Njay »

Offline Marvin

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #6 em: 27 de Julho de 2012, 13:06 »
NJay obrigado!

Na frase abaixo deve de ser "Se não precisares" certo?

Se precisares de ultra-baixo ruído (o que não me parece ser o caso do tipico "projecto arduino") podes usar um linear.

Eu penso que não tenho umas especificações tão criticas que envolvam a anulação do ruido, mas gostava de o reduzir ao minimo porque vou usar alguns sensores MEMS e normalmente são sensiveis a ruido.

Seguindo as tuas formulas vou tentar ver a dissipação tanto para linear como para comutado. Embora o linear seja facil entre 1.1 e 2watts o comutado tinha de ver a eficiencia.




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Offline ivitro

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #7 em: 27 de Julho de 2012, 13:13 »
Marvin é mesmo se precisares.

Offline Njay

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #8 em: 27 de Julho de 2012, 13:58 »
Há outros aspectos que não mencionei, como a eficiência dos comutados ser dependente da corrente de saída e da tensão de entrada. Isso está espelhado na datasheet.

Nota que um TO-220 a dissipar 0.2W sem dissipador já o deixa a escaldar.

Offline senso

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #9 em: 27 de Julho de 2012, 14:18 »
NJay obrigado!

Na frase abaixo deve de ser "Se não precisares" certo?

Se precisares de ultra-baixo ruído (o que não me parece ser o caso do tipico "projecto arduino") podes usar um linear.

Eu penso que não tenho umas especificações tão criticas que envolvam a anulação do ruido, mas gostava de o reduzir ao minimo porque vou usar alguns sensores MEMS e normalmente são sensiveis a ruido.

Seguindo as tuas formulas vou tentar ver a dissipação tanto para linear como para comutado. Embora o linear seja facil entre 1.1 e 2watts o comutado tinha de ver a eficiencia.

Existe reguladores comutados com eficiência elevada numa larga gama de corrente, é preciso é perder algum tempo a escolher o regulador certo.

Quanto á frase, um linear é sempre mais limpinho, por isso se precisas de pouco ruido, é comutado, mas sensores MEMS e assim, diria que podes usar um comutado á vontade, é só ter o devido decoupling.
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Offline Njay

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #10 em: 27 de Julho de 2012, 14:40 »
Também encontras pequenos reguladores comutados já empacotados e com pinos para enfiar num PCB.

Offline Marvin

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #11 em: 27 de Julho de 2012, 15:17 »
Também encontras pequenos reguladores comutados já empacotados e com pinos para enfiar num PCB.

Tenho umas samples da ST, ST1S40IPUR e L4977A, tenho de ver se estas servem, a minha grande questão é que bobine usar e isso tem-me feito adiar os testes...

http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00284753.pdf

http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000084.pdf
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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #12 em: 27 de Julho de 2012, 15:20 »
Tens de ler a datasheet e fazer as continhas que lá estão para calcular os valores dos componentes.
No site da TI tens o Power Designer, metes voltagem de entrada, voltagem de saida e corrente pretendida e ele gera N designs, escolhes um, refinas e aplicas.
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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #13 em: 27 de Julho de 2012, 15:24 »
Tens de ler a datasheet e fazer as continhas que lá estão para calcular os valores dos componentes.
No site da TI tens o Power Designer, metes voltagem de entrada, voltagem de saida e corrente pretendida e ele gera N designs, escolhes um, refinas e aplicas.

Sim, eu tenho andado de volta do power designer mas como não percebia bem as diferenças não me estava a fazer sentido algumas coisas, agora já faz.

edit: o site da ST tb tem um eDesignSuite, o problema é que os componentes como por exemplo as bobines que eles indicam custam as vezes 10x mais que o integrado...
« Última modificação: 27 de Julho de 2012, 15:25 por Marvin »
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Offline msr

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Re: [Questão] Reguladores lineares vs comutados
« Responder #14 em: 27 de Julho de 2012, 16:54 »
Na selecção da bobine uma coisa que tens de ter em atenção é a corrente de pico. Por exemplo, se queres ter na saída 5A, a corrente de pico na bobine vai ser certamente (muito) superior a isso. As datasheets dão em geral esse valor ou a fórmula para calcula-lo.

Vê também se algum destes "power modules" te dá jeito: http://focus.ti.com/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=462&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T
« Última modificação: 27 de Julho de 2012, 16:57 por msr »