Top 10 modułów regulatorów przełączających

Moduły regulatorów przełączających są obecnie niezbędnym elementem szerokiej gamy urządzeń elektronicznych, oferując bardziej efektywną metodę konwersji napięcia z jednego poziomu na inny poprzez magazynowanie i uwalnianie energii. Kluczem do sukcesu jest znalezienie doskonałego regulatora napięcia, który oferuje najlepszą wydajność dopasowaną do potrzeb Twojego obwodu.

Doskonały regulator napięcia to taki, który jest wydajny i utrzymuje minimalne zakłócenia na wyjściu. Jednak wybór odpowiedniego regulatora może być wyzwaniem, ponieważ ocena efektywności w liście komponentów dostawcy nie mówi całej historii.

Wydajność zależy w sposób nieodłączny od napięcia wejściowego i prądu wyjściowego, które będą się różnić w zależności od aplikacji. Niektóre regulatory wydają się oferować hiperwydajną pracę. Jednak dokładne przestudiowanie drobnego druku ujawnia, że ta ocena dotyczy tylko maksymalnego obciążenia, a efektywność jest znacznie gorsza przy lekkich obciążeniach. Ta rozbieżność jest powodem, dla którego ważne jest, aby znać wydajność regulatora w warunkach odpowiadających parametrom pracy Twojej aplikacji.

Wyzwanie z oceną wydajności

Można zobaczyć doskonały przykład wyzwania, jakim jest znalezienie regulatora o najlepszej ocenie dla swoich potrzeb, na przykładzie Monolithic Power Systems MEZD71202A-G. Ten komponent to moduł zasilający typu open-frame, o napięciu wejściowym od 6,5 do 24V, ciągłym prądzie wyjściowym 2A i napięciu wyjściowym 5,0V. Producent twierdzi, że zapewnia on do 92% maksymalnej sprawności.

Wyzwanie dla projektanta polega na tym, że karta katalogowa zawiera wykres sprawności, ale pokazuje tylko krzywą sprawności przy obciążeniu powyżej 60% przy napięciu wejściowym 12V. Jednakże, jeśli używasz tego regulatora z mikrokontrolerem w obwodzie z okazjonalnie wysokim zapotrzebowaniem na prąd, rzadko kiedy zobaczysz ten poziom sprawności. Średnia sprawność spada do 27% przy obciążeniach poniżej 20mA. Utrzymuje się na poziomie około 36% dla obciążeń poniżej 70mA, które są typowymi obciążeniami dla działania większości mikrokontrolerów, w tym zaawansowanych urządzeń ARM-Cortex.

Problem polega na tym, że ten brak kompleksowych danych dotyczy wszystkich producentów.

Ocena Modelu Regulatora

Najlepszym sposobem na znalezienie idealnego regulatora napięcia do Twojego obwodu jest porównanie rzeczywistej wydajności dostępnych modułów regulatora napięcia z konkretnymi wymaganiami Twojego projektu obwodu. Właśnie w tym miejscu pomoże ten artykuł, pokazując, jak te komponenty działają, gdy zostaną wyjęte z opakowania i podłączone w laboratorium. Ujawni również 10 najlepszych wyborów na podstawie efektywności i szumów.

Opisane wyniki są rezultatem testów modułów regulatora napięcia przeprowadzonych przez osiem miesięcy, generujących prawie 40 milionów punktów danych. Te testy skupiały się na regulatorach przełączających zaprojektowanych do zastąpienia 5V lub 3.3V liniowych regulatorów o niskim spadku napięcia.

Wyniki pochodzą z testowania 40 różnych regulatorów napięcia w tym roku, większość z nich z obciążeniem nominalnym między 500 mA a 2A. Wszystkie dane z testów są dostępne online na stronie partplayground.com do eksploracji i wyciągania wniosków.

Przegląd Wyników

Świetnym sposobem na uzyskanie przeglądu różnic między markami jest porównanie wykonanych pomiarów dla uzyskania wyników porównawczych. Wykresy średniej efektywności z zaznaczonym obszarem min/max wskazującym granice ich efektywności dostarczają świetnego względnego wskaźnika wydajności marki.

Wydajność Regulatora Przełączającego według Marki

Poniższy obraz przedstawia wyniki pomiarów efektywności regulatorów według marki przy obciążeniu 1A. Wizualizacja wyników pomiarów tego typu ułatwia dostrzeżenie trendów w danych. W tym przykładzie widoczne tendencje wydają się wskazywać, że niektóre marki średnio radzą sobie lepiej niż inne. Jednak diabeł tkwi w szczegółach, więc należy pamiętać, że rozmiary próbek dla każdej marki są różne, więc należy zachować ostrożność przed wyciąganiem wniosków.

Jednakże, ten wykres pokazuje nam, że powyżej około 300mA obciążenia, regulatory z całego zakresu producentów mają tendencję do osiągania dość stabilnej efektywności. Ta informacja mówi nam, że większość marek będzie działać przyzwoicie powyżej obciążenia 300mA, gdy mowa o regulatorach w zakresie obciążeń od 500mA do 2A.

Dane pokazują szeroki zakres różnych ocen efektywności przy obciążeniach poniżej 100mA, od niskich 15% do imponujących 99%. Poniższy wykres rozszerza tę część wyników, aby ułatwić interpretację różnic.

Wykres pokazuje, że jeśli szukasz regulatora napięcia przełączającego do użycia w aplikacji z przeważnie niskim obciążeniem, lepiej jest przeprowadzić reprezentatywne testy na potencjalnych kandydatach, niż polegać na informacjach z karty katalogowej. Alternatywnie, możesz zaoszczędzić trochę czasu i wysiłku, patrząc na dane zebrane podczas testów dla tego artykułu i udostępnione publicznie na partplayground.com.

Różnica w efektywności pokazana na wykresie powyżej może być również spowodowana tym, że niektóre regulatory napięcia mają szerszy zakres napięć wejściowych niż inne, co powoduje, że pewne marki na wykresie wykazują słabą efektywność. Możesz wziąć to pod uwagę, patrząc na poniższy wykres, który pokazuje efektywność wszystkich regulatorów w oparciu o stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego. Ponieważ zestaw danych obejmuje regulatory z szerokim zakresem napięć wyjściowych, prezentacja danych w oparciu o stosunek jest najbardziej sensowna.

Większość testowanych regulatorów miała stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego mniejszy niż 6. Dlatego, poza tym stosunkiem, mniej regulatorów przyczyniło się do zestawu danych. Jednakże, na podstawie dostępnych danych, napięcie wejściowe znacząco wpływa na efektywność regulatora, szczególnie przy lekkich obciążeniach.

Poziomy hałasu regulatorów przełączających według marki

Kolejnym ważnym czynnikiem przy wyborze regulatora napięcia przełączającego jest poziom szumów na napięciu wyjściowym. Artefakty tętnień pochodzące z logiki przełączania mogą stwarzać problemy w niektórych projektach obwodów, i zawsze łatwiej i bardziej praktycznie jest wybrać regulator o niskim poziomie szumów niż dodawać dodatkowe komponenty do swojego obwodu, aby zmniejszyć poziom szumów, jeśli są one zbyt wysokie.

Na poniższym wykresie porównano wydajność szumów według marki, z tym samym zastrzeżeniem co przy porównaniach efektywności: różne wielkości próbek dla każdej marki mogą wpływać na wyniki trendów.

Te wskazujące wyniki pokazują, że co ciekawe, niektóre z najbardziej efektywnych regulatorów również generują najniższe poziomy szumów. Dlatego te dwa czynniki razem wskazują na ogólną jakość wydajności regulatora.

Wyniki pomiarów poziomów szumów dla różnych napięć wejściowych również pokazują, że poziomy szumów na wyjściu pozostają stosunkowo stałe dla każdego regulatora, przy czym przyczyną największych wahań poziomów szumów na wyjściu są zmiany obciążenia.

Ocena Regulatora Napięcia Przełączającego

Określiłem 10 najlepszych przetwornic impulsowych, przydzielając każdej z nich punktację na podstawie zmierzonej wydajności. Przy ocenie uwzględniono maksymalną i średnią efektywność, absolutną efektywność oraz poziomy szumów przy obciążeniach 20mA i 70mA. Podstawą punktacji była wydajność każdej testowanej przetwornicy w każdym z tych parametrów w stosunku do wydajności wszystkich pozostałych przetwornic w zestawie danych.

System punktacji opracowałem tak, aby przetwornice, które najlepiej radziły sobie we wszystkich zakresach obciążeń i generowały najniższe poziomy szumów, otrzymywały najwyższą punktację. Było niezwykle ważne, aby upewnić się, że przetwornica, która wyjątkowo dobrze wypadła w jednym punkcie testowym, ale źle w innych, nie zaburzała wyników przez sztucznie wysoką punktację.

Warto również zauważyć, że punktacja opiera się wyłącznie na wydajności, więc czynniki takie jak koszt, napięcie wyjściowe i ocena prądu wyjściowego nie wpływają na ranking.

Spójrzmy zatem teraz na dziesiątkę najlepszych przetwornic impulsowych, które zostały przetestowane i ocenione.

Ranking przetwornic impulsowych

1. Na pierwszym miejscu znajduje się regulator GAPTEC Electronic LMO78_05-1.0, który na pierwszy rzut oka na dostępne informacje o produkcie może nie wydawać się nadzwyczajny ze względu na jego minimalistyczną kartę katalogową. Wyniki testów pokazują, że ten regulator może pochwalić się imponującą maksymalną efektywnością na poziomie 99,3% oraz solidną średnią efektywnością wynoszącą 82,2%, przy godnym szacunku niskim średnim poziomie szumów wynoszącym 5,54mV. Przy lekkich obciążeniach 70mA i 20mA utrzymuje swoją silną wydajność, osiągając efektywność odpowiednio 77,5% i 77,7%. Wykazuje doskonałą odpowiedź na zmianę obciążenia, ale potrzebuje trochę czasu na uruchomienie, co może go dyskwalifikować w niektórych zastosowaniach.
2. Na drugim miejscu znajduje się regulator GAPTEC Electronic LCB78_05-0.5. Ten regulator również cierpi na brak wystarczających informacji w karcie katalogowej, dysponując jedynie wykresem efektywności w stosunku do napięcia wejściowego przy pełnym obciążeniu oraz wykresem szumów. Pomimo tego, osiąga maksymalną efektywność na poziomie 99,3% identyczną jak model z pierwszego miejsca, ale nieznacznie odstaje średnią efektywnością, która wynosi 81,2%. Utrzymuje przyzwoicie niski średni poziom szumów na poziomie 5,19mV, który nieznacznie wzrasta do 5,34mV przy obciążeniu 20mA.
3. Na trzecim miejscu znajduje się Traco Power TSR 2-2433. Co niezwykłe, karta katalogowa tego komponentu nie zawiera żadnych wykresów, co maskuje jego potencjał. Ten regulator 3,3V 2A dostarcza maksymalną sprawność na poziomie 95,5% oraz średnią sprawność 81%, przy jednoczesnym utrzymaniu minimalnego poziomu szumów na średnim poziomie zaledwie 3,79mV.
4. Następnie, na czwartym miejscu, znajduje się CUI VX7803-500. Ten regulator 3,3V 0,5A osiąga wysoką maksymalną sprawność 98,8% oraz średnią sprawność 76,8%. Chociaż utrzymuje umiarkowany poziom szumów na poziomie 4,38mV, średni poziom szumów wzrasta do 6,82mV przy obciążeniach mniejszych niż 20mA.
5. Na piątym miejscu jest XP Power VR05S05. Ten regulator 5V 0,5A osiąga wysoką sprawność na poziomie 95,2% oraz średnią 80,5%, przy jednoczesnym utrzymaniu dość dobrego poziomu szumów na poziomie 4,85mV przy wysokich obciążeniach. Poziomy szumów wzrastają przy mniejszych obciążeniach, ale sprawność pozostaje w komfortowym zakresie.
6. Na szóstym miejscu znajduje się Traco Power TSR 1.5-2433E. Ten regulator 3,3V 1,5A wyróżnia się dobrą oceną, osiągając ogólną sprawność na poziomie 94,6% oraz rozsądną średnią wartość 77,9%. Działa z niskim poziomem tętnień napięcia, prezentując średni poziom szumów na poziomie 3,27mV przy pełnym obciążeniu. Wykazuje lekkie obniżenie sprawności przy mniejszych obciążeniach, ale pozostaje solidnym wyborem.
7. Na siódmym miejscu jest CUI VXO7803-1000. Ten regulator 3,3V 1A ma solidną maksymalną sprawność 94,7% oraz dość dobrą średnią sprawność 77,8%. Jednakże, charakteryzuje się wyższym poziomem szumów niż jego kolegi z pierwszej dziesiątki, osiągając średnią 6,23 mV.
8. Na ósmym miejscu jest Recom Power R-78C5.0-1.0. Jego maksymalna sprawność to 94,2%, a średnia sprawność wynosi 77,5%. Ten regulator 5V 1A ma niski poziom szumów na poziomie 3,73mV przy pełnym obciążeniu. Jednakże, sprawność znacznie spada przy mniejszych obciążeniach, osiągając średnio tylko 60,4% dla obciążeń poniżej 20mA, co jest najniższą wartością wśród regulatorów z tej top 10 listy.
9. Na dziewiątym miejscu znajduje się regulator GAPTEC Electronic LME78_05-1.0. Ten regulator 5V 1A ma maksymalną sprawność na poziomie 93,4% oraz średnią sprawność 78,4%. Poziom szumów jest nieco wyższy, ze średnią 6,1mV, ale radzi sobie dość dobrze przy mniejszym obciążeniu.
10. Na dziesiątym miejscu mamy moduł GAPTEC Electronic LMO78_05-0.5. Ten moduł 5V 0.5A osiąga imponującą maksymalną sprawność 94,7% oraz średnią 78,1%. Pomimo nieco wyższego poziomu szumów na poziomie 6,31mV, jest to kompetentny regulator przy mniejszych obciążeniach, chociaż sprawność spada do 65,5% przy obciążeniach poniżej 20mA.

Poza pierwszą dziesiątką, ale zasługujące na wyróżnienie, są regulatory produkowane przez Würth Elektronik. Te komponenty mają najwyższy standard kart katalogowych spośród wszystkich badanych tutaj regulatorów, dlatego często decyduję się na ich używanie. Najlepszy regulator Würth Elektronik zajął dwunaste miejsce w metodzie oceny użytej do tego rankingu, chociaż gdyby wsparcie produktu i jakość kart katalogowych były brane pod uwagę, ocena ta byłaby znacznie wyższa. 

Podsumowanie

Wybór najlepszego stabilizatora napięcia przełączającego do Twojego projektu obwodu nie powinien być trudny. Zakładając, że znasz kluczowe parametry takie jak napięcia wejściowe i wyjściowe, prąd wyjściowy w całym zakresie obciążenia oraz maksymalny akceptowalny poziom szumów, powinieneś być w stanie wybrać odpowiedni na podstawie takich czynników jak efektywność, koszt i opakowanie.

Jednym z kluczowych wniosków z tego ćwiczenia była brak jasnych, wiarygodnych i kompleksowych danych o wydajności w kartach katalogowych testowanych modułów stabilizatora napięcia. Bez dostępu do kluczowych parametrów wydajności istnieje ryzyko, że możesz przegapić najlepsze opcje.

Celem tego ćwiczenia było wyprodukowanie zestawu informacji o rzeczywistej wydajności, aby pomóc Ci wybrać najlepszy stabilizator do Twoich projektów, z dostępem do wielu milionów punktów danych na partplayground.com, jeśli chcesz przeprowadzić własną analizę lub ranking. Bądź na bieżąco z nadchodzącymi filmami analizy rzeczywistych komponentów. Nie zapomnij obejrzeć towarzyszącego filmu, aby dowiedzieć się więcej o testach i wynikach.

Gdy będziesz gotowy, aby stworzyć układ PCB z modułem regulatora napięcia lub układem scalonym, użyj narzędzi do projektowania i układu w Altium Designer^®. Aby zaimplementować współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™ do łatwego udostępniania danych projektowych i wprowadzania projektów do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.