Top 10 Schaltreglermodule

Schaltreglermodule sind mittlerweile ein unverzichtbares Merkmal einer breiten Palette von elektronischen Geräten und bieten eine effizientere Methode zur Umwandlung von Spannung von einem Niveau auf ein anderes, indem sie Energie speichern und freisetzen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, einen großartigen Spannungsregler zu finden, der die beste Leistung bietet, die zu den Bedürfnissen Ihres Schaltkreises passt.

Ein großartiger Spannungsregler ist ein effizienter Regler, der die Ausgangsrippel auf ein Minimum beschränkt. Die Auswahl des geeigneten Reglers kann jedoch herausfordernd sein, da die Effizienzbewertung in einer Komponentenliste eines Anbieters nicht die ganze Geschichte erzählt.

Die Effizienz hängt grundsätzlich von der Eingangsspannung und dem Ausgangsstrom ab, die für jede Anwendung variieren werden. Einige Regler scheinen hyper-effiziente Leistung zu bieten. Allerdings offenbart ein Blick ins Kleingedruckte, dass diese Bewertung nur bei maximaler Belastung gilt und die Effizienz bei geringer Last deutlich schlechter ist. Diese Diskrepanz ist der Grund, warum es wesentlich ist, die Leistung des Reglers unter Bedingungen zu kennen, die den Betriebsparametern Ihrer Anwendung entsprechen.

Die Herausforderung der Leistungsbewertung

Sie können ein ausgezeichnetes Beispiel für die Herausforderung, einen Regler mit der besten Bewertung für Ihre Bedürfnisse zu finden, am Monolithic Power Systems MEZD71202A-G sehen. Dieses Bauteil ist ein offenes, von 6,5 bis 24V Eingangsspannung herabsetzendes Strommodul mit 2A kontinuierlichem Ausgangsstrom und 5,0V Ausgangsspannung. Der Hersteller behauptet, es bietet bis zu 92% Spitzenwirkungsgrad.

Die Herausforderung für den Designer besteht darin, dass das Datenblatt ein Wirkungsgrad-Diagramm enthält, aber nur die Effizienzkurve über 60% Belastung mit einem 12V Eingang zeigt. Wenn Sie diesen Regler jedoch mit einem Mikrocontroller in einer Schaltung mit gelegentlich hohem Strombedarf verwenden, werden Sie diesen Effizienzlevel selten sehen. Die durchschnittliche Effizienz sinkt auf 27% bei Lasten unter 20mA. Sie liegt bei etwa 36% für Lasten unter 70mA, welche typische Lasten für den Betrieb der meisten Mikrocontroller sind, einschließlich der leistungsfähigen ARM-Cortex-Geräte.

Das Problem ist, dass dieser Mangel an umfassenden Daten für alle Hersteller gilt.

Reglermodellbewertung

Die beste Methode, um den perfekten Spannungsregler für Ihren Schaltkreis zu finden, besteht darin, die realen Leistungen der verfügbaren Spannungsreglermodule mit den spezifischen Anforderungen Ihres Schaltungsentwurfs zu vergleichen. Genau dabei wird dieser Artikel helfen, indem er zeigt, wie diese Komponenten funktionieren, sobald sie aus ihrer Verpackung genommen und im Labor angeschlossen sind. Es werden auch die Top 10 Auswahlmöglichkeiten basierend auf Effizienz und Geräuschpegel enthüllt.

Die berichteten Ergebnisse sind das Resultat von Tests mit Spannungsreglermodulen, die über acht Monate durchgeführt wurden und fast 40 Millionen Datenpunkte generierten. Diese Tests konzentrierten sich auf Schaltregler, die dazu entworfen wurden, 5V oder 3.3V Low-Drop-Out-Linearegler zu ersetzen.

Die Ergebnisse stammen von Tests mit 40 verschiedenen Spannungsreglern in diesem Jahr, die meisten mit einer Nennlast zwischen 500 mA und 2A. Alle Testdaten sind online auf partplayground.com verfügbar, um sie zu erkunden und Schlussfolgerungen zu ziehen.

Übersicht der Ergebnisse

Ein großartiger Weg, um einen Überblick über die Unterschiede zwischen den Marken zu bekommen, ist der Vergleich der Messungen für vergleichende Ergebnisse. Diagramme der durchschnittlichen Effizienz mit dem Min/Max-Bereich, der die Grenzen ihrer Effizienz angibt, bieten eine großartige relative Indikation der Markenleistung.

Effizienz von Schaltreglern nach Marke

Das folgende Bild zeigt die Ergebnisse von Messungen der Regulator-Effizienz nach Marke bei einer Last von 1A. Die Visualisierung der Ergebnisse solcher Messungen macht es einfach, Trends in den Daten zu erkennen. In diesem Beispiel scheinen die sichtbaren Trends darauf hinzudeuten, dass einige Marken im Durchschnitt besser abschneiden als andere. Allerdings steckt der Teufel im Detail, daher sollten Sie bedenken, dass die Stichprobengrößen jeder Marke unterschiedlich sind, also sollten Sie vorsichtig sein, bevor Sie Schlussfolgerungen ziehen.

Dennoch zeigt uns diese Grafik, dass jenseits von etwa 300mA Last, Regulatoren aus dem gesamten Herstellerbereich dazu neigen, eine ziemlich stabile Effizienzbewertung zu erreichen. Diese Information sagt uns, dass die meisten Marken oberhalb einer Last von 300mA bei der Verwendung von Regulatoren im Lastbereich von 500mA bis 2A anständig performen.

Die Daten zeigen eine große Bandbreite unterschiedlicher Effizienzbewertungen bei Betrachtung der Regulator-Effizienz mit Lasten unter 100mA, von niedrigen 15% bis zu beeindruckenden 99%. Das untenstehende Diagramm erweitert diesen Abschnitt der Ergebnisse, um die Unterschiede leichter interpretierbar zu machen.

Das Diagramm zeigt, dass wenn Sie nach einem Schaltspannungsregler für eine Anwendung mit überwiegend niedriger Belastung suchen, es besser ist, repräsentative Tests mit potenziellen Kandidaten durchzuführen, anstatt sich auf Datenblattinformationen zu verlassen. Alternativ können Sie sich Zeit und Mühe sparen und sich die in den Tests für diesen Artikel gesammelten und auf partplayground.com öffentlich zugänglichen Daten ansehen.

Die im Diagramm oben gezeigte Variation der Effizienz könnte auch darauf zurückzuführen sein, dass einige Spannungsregler einen breiteren Eingangsspannungsbereich als andere haben, was dazu führt, dass bestimmte Marken im Diagramm eine schlechte Effizienz aufweisen. Sie können dies berücksichtigen, indem Sie sich das folgende Diagramm ansehen, das die Effizienz aller Regler basierend auf dem Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung zeigt. Da der Datensatz Regler mit einer breiten Palette von Ausgangsspannungen umfasst, macht es am meisten Sinn, die Daten basierend auf dem Verhältnis darzustellen.

Die meisten getesteten Regler hatten ein Eingangs-Ausgangs-Spannungsverhältnis von weniger als 6. Daher trugen jenseits dieses Verhältnisses weniger Regler zum Datensatz bei. Basierend auf den verfügbaren Daten beeinflusst die Eingangsspannung die Effizienz des Reglers jedoch erheblich, insbesondere bei geringer Belastung.

Geräuschpegel von Schaltreglern nach Marke

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Schaltspannungsreglers ist das Rauschniveau der Ausgangsspannung. Rippel-Artefakte durch die Schaltlogik können in einigen Schaltkreisdesigns Probleme verursachen, und es ist immer einfacher und praktischer, einen Regler mit niedrigen Rauschpegeln zu wählen, als zusätzliche Komponenten zu Ihrem Schaltkreis hinzuzufügen, um die Rauschpegel zu reduzieren, falls diese zu hoch sind.

Das folgende Diagramm vergleicht die Rauschleistung nach Marke, mit dem gleichen Vorbehalt wie die Effizienzvergleiche: Die unterschiedlichen Stichprobengrößen für jede Marke können die Trendergebnisse beeinflussen.

Die beispielhaften Ergebnisse zeigen interessanterweise, dass einige der effizientesten Regler auch die niedrigsten Rauschpegel erzeugen. Daher deuten diese beiden Faktoren zusammen auf die allgemeine Leistungsqualität des Reglers hin.

Die Ergebnisse der Messung von Rauschpegeln bei verschiedenen Eingangsspannungen zeigen auch, dass die Ausgangsrauschpegel für jeden Regler relativ konsistent bleiben, wobei die Ursache für die signifikanteste Variation der Ausgangsrauschpegel Laständerungen sind.

Bewertung von Schaltspannungsreglern

Ich habe die Top 10 der Schaltspannungsregler ermittelt, indem ich jedem Regler eine Punktzahl auf Basis der gemessenen Leistung zuordnete. Die Bewertung berücksichtigte die maximale und durchschnittliche Effizienz, sowie die absolute Effizienz und die Geräuschpegel bei den Lastpunkten von 20mA und 70mA. Die Grundlage der Punktzahlen war die Leistung jedes getesteten Reglers in jeder Metrik im Verhältnis zur Leistung aller anderen Regler im Datensatz.

Ich leitete das Bewertungsschema so ab, dass die Regler, die bei allen Lasten am besten abschnitten und die niedrigsten Geräuschpegel erzeugten, die höchste Punktzahl erhielten. Es war von entscheidender Bedeutung sicherzustellen, dass ein Regler, der bei einem Testpunkt außergewöhnlich gut, aber bei anderen Testpunkten schlecht abschnitt, die Ergebnisse nicht durch eine künstlich hohe Punktzahl verfälschte.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Bewertung rein auf der Leistung basiert, sodass Faktoren wie Kosten, Ausgangsspannung und Ausgangsstrombewertung die Rangfolge nicht beeinflussen.

Lassen Sie uns nun einen Blick auf die Top-Ten-Liste der getesteten und bewerteten Schaltspannungsregler werfen.

Ranking der Schaltspannungsregler

1. An erster Stelle steht der GAPTEC Electronic LMO78_05-1.0, der auf den ersten Blick der verfügbaren Produktinformationen aufgrund seines minimalistischen Datenblatts nicht außergewöhnlich erscheinen mag. Testergebnisse zeigen, dass dieser Regler eine beeindruckende maximale Effizienz von 99,3% und eine solide durchschnittliche Effizienz von 82,2% aufweist, mit einem respektablen niedrigen durchschnittlichen Rauschen von 5,54mV. Bei leichten Lasten von 70mA und 20mA hält er seine starke Leistung aufrecht, mit Effizienzen von 77,5% bzw. 77,7%. Er zeigt eine ausgezeichnete Lastschrittreaktion, benötigt jedoch etwas Zeit zum Starten, was ihn für einige Anwendungen disqualifizieren könnte.
2. Auf dem zweiten Platz befindet sich der GAPTEC Electronic LCB78_05-0.5. Auch dieser Regler verfügt über unzureichende Datenblattinformationen, mit nur einem Wirkungsgrad-gegen-Eingangsspannungs-Diagramm bei Vollast und einem Rauschdiagramm. Trotzdem erreicht er die maximale Effizienz des Spitzenmodells von 99,3%, bleibt aber mit einer durchschnittlichen Effizienz von 81,2% etwas zurück. Er hält ein anständig niedriges durchschnittliches Rauschen von 5,19mV, das unter einer Last von 20mA leicht auf 5,34mV ansteigt.
3. Auf dem dritten Platz befindet sich der Traco Power TSR 2-2433. Unglaublicherweise enthält das Datenblatt für diese Komponente keine Diagramme, was ihr Potenzial verbirgt. Dieser 3,3V 2A Regler erreicht eine maximale Effizienz von 95,5% und eine durchschnittliche Effizienz von 81%, während er den Lärm auf ein Minimum von durchschnittlich nur 3,79mV hält.
4. Als nächstes auf Platz vier befindet sich der CUI VX7803-500. Dieser 3,3V 0,5A Regler liefert eine hohe maximale Effizienz von 98,8% und eine durchschnittliche Effizienz von 76,8%. Während er ein mäßiges Geräuschniveau von 4,38mV beibehält, steigt der durchschnittliche Lärm auf 6,82mV für Lasten unter 20mA an.
5. Auf dem fünften Platz ist der XP Power VR05S05. Dieser 5V 0,5A Regler schafft es, eine hohe Effizienz von 95,2% und eine Durchschnittseffizienz von 80,5% zu erreichen, während er ein angemessen gutes Geräuschniveau von 4,85mV bei hohen Lasten beibehält. Die Geräuschpegel steigen bei niedrigeren Lasten zwar an, aber die Effizienz bleibt in einem komfortablen Bereich.
6. Auf dem sechsten Platz befindet sich der Traco Power TSR 1.5-2433E. Dieser 3,3V 1,5A Regler punktet gut, mit einer Gesamteffizienz von 94,6% und einem vernünftigen Durchschnitt von 77,9%. Mit einer Betriebsweise mit niedrigem Spannungsrippel, die einen durchschnittlichen Geräuschpegel von 3,27mV über die volle Last aufweist, zeigt er zwar einen leichten Effizienzabfall bei niedrigeren Lasten, bleibt aber eine solide Wahl.
7. Auf dem siebten Platz ist der CUI VXO7803-1000. Dieser 3,3V 1A Regler hat eine solide maximale Effizienz von 94,7% und eine relativ gute durchschnittliche Effizienz von 77,8%. Allerdings hat er höhere Geräuschpegel als seine Top-10-Kollegen, mit einem Durchschnitt von 6,23 mV.
8. Auf dem achten Platz befindet sich der Recom Power R-78C5.0-1.0. Seine maximale Effizienz erreicht 94,2%, und er liefert eine durchschnittliche Effizienz von 77,5%. Dieser 5V 1A Regler hat eine niedrige Geräuschzahl von 3,73mV bei voller Last. Die Effizienz sinkt jedoch bei niedrigeren Lasten deutlicher, mit einem Durchschnitt von nur 60,4% bei Lasten unter 20mA, was die niedrigste Effizienz der Regler in dieser Top-10-Liste ist.
9. Auf dem neunten Platz befindet sich der GAPTEC Electronic LME78_05-1.0. Dieser 5V 1A Regler erreicht eine maximale Effizienz von 93,4% und eine durchschnittliche Effizienz von 78,4%. Die Geräuschpegel sind etwas höher, mit einem Durchschnitt von 6,1mV, aber er leistet unter geringeren Lastbedingungen recht gute Arbeit.
10. Zuletzt, auf dem zehnten Platz, haben wir den GAPTEC Electronic LMO78_05-0.5. Dieses 5V 0.5A Modul erreicht eine beeindruckende maximale Effizienz von 94,7% und einen Durchschnitt von 78,1%. Trotz des etwas höheren Geräuschpegels von 6,31mV ist es ein kompetenter Regler bei niedrigeren Lasten, obwohl die Effizienz bei Lasten unter 20mA auf 65,5% sinkt.

Außerhalb der Top Ten, aber dennoch einer ehrenwerten Erwähnung würdig, sind die Regler von Würth Elektronik. Diese Komponenten haben den höchsten Standard an Datenblättern für alle hier untersuchten Regler, weshalb ich mich oft für deren Verwendung entscheide. Der beste Regler von Würth Elektronik erreichte unter der verwendeten Bewertungsmethode den zwölften Platz, allerdings hätten sie bei Berücksichtigung von Produktsupport und Datenblattqualität viel höher eingestuft werden können. 

Schlussfolgerung

Die Auswahl des besten Schaltspannungsreglers für Ihr Schaltungsdesign sollte nicht schwierig sein. Angenommen, Sie kennen die Schlüsselparameter wie Eingangs- und Ausgangsspannungen, Ausgangsstrom über den Lastbereich und maximal akzeptable Geräuschpegel. In diesem Fall sollten Sie in der Lage sein, eine Auswahl basierend auf Faktoren wie Effizienz, Kosten und Verpackung zu treffen.

Ein zentraler Punkt, der aus dieser Übung hervorgegangen ist, war der Mangel an klaren, zuverlässigen und umfassenden Leistungsdaten in den Datenblättern der getesteten Spannungsreglermodule. Ohne Zugang zu wichtigen Leistungsparametern besteht die Chance, dass Sie die besten Optionen übersehen könnten.

Das Ziel der Übung war es, einen Informationsdatensatz mit Daten zur realen Leistung zu erstellen, um Ihnen bei der Auswahl des besten Reglers für Ihre Designprojekte zu helfen, mit all den Millionen von Datenpunkten, die auf partplayground.com verfügbar sind, falls Sie Ihre eigene Analyse oder Bewertung durchführen möchten. Halten Sie Ausschau nach weiteren Videos zur Analyse von Komponenten in der realen Welt, die bald erscheinen werden. Vergessen Sie nicht, das begleitende Video anzusehen, um mehr über die Tests und die Ergebnisse zu erfahren.

Wenn Sie bereit sind, Ihr PCB-Layout mit einem Spannungsreglermodul oder IC zu erstellen, verwenden Sie die Design- und Layout-Tools in Altium Designer^®. Um die Zusammenarbeit in der heutigen interdisziplinären Umgebung zu implementieren, nutzen innovative Unternehmen die Altium 365™ Plattform, um Design-Daten einfach zu teilen und Projekte in die Fertigung zu bringen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.