Os 10 Melhores Módulos de Reguladores de Comutação

Módulos reguladores de comutação são agora um recurso essencial em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, oferecendo um método mais eficiente de converter a tensão de um nível para outro, armazenando e liberando energia. A chave para o sucesso é encontrar um ótimo regulador de tensão que ofereça o melhor desempenho para atender às necessidades do seu circuito.

Um ótimo regulador de tensão é um regulador eficiente que mantém a ondulação de saída ao mínimo. No entanto, escolher o regulador adequado pode ser desafiador, pois a classificação de eficiência na lista de componentes de um fornecedor não conta toda a história.

A eficiência depende inerentemente da tensão de entrada e da corrente de saída, que variará para cada aplicação. Alguns reguladores parecem oferecer um desempenho hiper-eficiente. No entanto, estudar as letras miúdas revela que essa classificação só se aplica à carga máxima, e a eficiência é significativamente menor sob cargas leves. Essa discrepância é o motivo pelo qual conhecer o desempenho do regulador sob condições que correspondam aos parâmetros operacionais da sua aplicação é essencial.

O Desafio da Classificação de Desempenho

Você pode ver um excelente exemplo do desafio de encontrar um regulador com a melhor classificação para suas necessidades com o Monolithic Power Systems MEZD71202A-G. Este componente é um módulo de potência step-down de quadro aberto, com entrada de 6,5 a 24V, corrente de saída contínua de 2A e tensão de saída de 5,0V. O fornecedor afirma que ele oferece até 92% de eficiência máxima.

O desafio para o projetista é que a ficha técnica apresenta um gráfico de eficiência, mas apenas mostra a curva de eficiência acima de 60% de carga com uma entrada de 12V. No entanto, se você estiver usando este regulador com um microcontrolador em um circuito com demanda ocasional de alta corrente, raramente verá este nível de eficiência. A eficiência média cai para 27% com cargas abaixo de 20mA. Ela fica em torno de 36% para cargas abaixo de 70mA, que são cargas típicas para a operação da maioria dos microcontroladores, incluindo os poderosos dispositivos ARM-Cortex.

O problema é que essa falta de dados abrangentes se aplica a todos os fabricantes.

Classificação do Modelo do Regulador

A melhor maneira de encontrar o regulador de tensão perfeito para o seu circuito é comparar o desempenho real dos módulos reguladores de tensão disponíveis com os requisitos específicos do seu projeto de circuito. É aqui que este artigo vai ajudar, mostrando como esses componentes funcionam uma vez que estão fora de suas embalagens e conectados no laboratório. Ele também revelará as 10 melhores escolhas com base em eficiência e ruído.

Os resultados apresentados são fruto de testes com módulos reguladores de tensão realizados ao longo de oito meses, gerando quase 40 milhões de pontos de dados. Esses testes focaram em reguladores chaveados projetados para substituir reguladores lineares de baixa queda de 5V ou 3.3V.

Os resultados são de testes com 40 reguladores de tensão diferentes este ano, a maioria com carga nominal entre 500 mA e 2A. Todos os dados de teste estão disponíveis online em partplayground.com para explorar e usar para tirar conclusões.

Visão Geral dos Resultados

Uma ótima maneira de obter uma visão geral das diferenças entre marcas é comparar as medições feitas para resultados comparativos. Gráficos de eficiência média com a área mín/máx indicando os limites de sua eficiência fornecem uma ótima indicação relativa do desempenho da marca.

Eficiência de Reguladores Chaveados por Marca

A imagem a seguir mostra os resultados das medições de eficiência de reguladores por marca com uma carga de 1A. Visualizar os resultados de medições desse tipo torna simples identificar tendências nos dados. Neste exemplo, as tendências visíveis parecem mostrar que algumas marcas apresentam, em média, um desempenho melhor do que outras. No entanto, o diabo está nos detalhes, portanto, tenha em mente que os tamanhos das amostras de cada marca são diferentes, então você deve ter cautela antes de tirar conclusões.

Contudo, este gráfico nos mostra que, além de cerca de 300mA de carga, reguladores de uma gama de fabricantes tendem a alcançar uma classificação de eficiência razoavelmente estável. Essa informação nos diz que a maioria das marcas terá um desempenho decente acima de uma carga de 300mA ao lidar com reguladores na faixa de carga de 500mA a 2A.

Os dados mostram uma vasta gama de diferentes classificações de eficiência ao analisar a eficiência dos reguladores com cargas abaixo de 100mA, variando de meros 15% a impressionantes 99%. O gráfico abaixo expande essa seção dos resultados para tornar as diferenças mais fáceis de interpretar.

O gráfico mostra que, se você está procurando por um regulador de tensão chaveado para usar em uma aplicação com carga predominantemente baixa, é mais vantajoso realizar testes representativos nos candidatos potenciais em vez de confiar nas informações da ficha técnica. Alternativamente, você pode economizar algum tempo e esforço e olhar os dados coletados nos testes para este artigo e disponibilizados publicamente em partplayground.com.

A variação na eficiência mostrada no gráfico acima também pode ser devido a alguns reguladores de tensão terem uma faixa de tensão de entrada mais ampla do que outros, fazendo com que certas marcas no gráfico exibam baixa eficiência. Você pode fazer ajustes para isso observando o gráfico seguinte, que mostra a eficiência de todos os reguladores com base na relação entre a tensão de entrada e saída. Como o conjunto de dados inclui reguladores com uma ampla gama de tensões de saída, apresentar os dados com base na relação faz mais sentido.

A maioria dos reguladores testados tinha uma relação de tensão de entrada para saída menor que 6. Portanto, além dessa relação, menos reguladores contribuíram para o conjunto de dados. No entanto, com base nos dados disponíveis, a tensão de entrada influencia significativamente a eficiência do regulador, especialmente sob cargas leves.

Níveis de Ruído de Reguladores Chaveados por Marca

Outra consideração importante na seleção de um regulador de tensão comutado é o nível de ruído na tensão de saída. Artefatos de ripple provenientes da lógica de comutação podem criar problemas em alguns designs de circuitos, e é sempre mais fácil e prático escolher um regulador com baixos níveis de ruído do que adicionar componentes adicionais ao seu circuito para reduzir os níveis de ruído se estes forem muito altos.

O gráfico a seguir compara o desempenho de ruído por marca, com a mesma ressalva das comparações de eficiência: os diferentes tamanhos de amostra para cada marca podem afetar os resultados de tendência.

Estes resultados indicativos mostram que, curiosamente, alguns dos reguladores mais eficientes também produzem os menores níveis de ruído. Portanto, esses dois fatores juntos indicam a qualidade geral do desempenho do regulador.

Os resultados da medição dos níveis de ruído para diferentes tensões de entrada também mostram que os níveis de ruído de saída permanecem relativamente consistentes para cada regulador, sendo a causa da variação mais significativa nos níveis de ruído de saída as mudanças de carga.

Avaliação de Regulador de Tensão Comutado

Determinei os 10 melhores reguladores de tensão comutados atribuindo a cada regulador uma pontuação com base no desempenho medido. A pontuação levou em conta a eficiência máxima e média, com a eficiência absoluta e os níveis de ruído nos pontos de carga de 20mA e 70mA. A base das pontuações foi o desempenho de cada regulador testado em cada métrica em relação ao desempenho de todos os outros reguladores no conjunto de dados.

Elaborei o esquema de pontuação de modo que os reguladores que apresentassem o melhor desempenho em todas as cargas e produzissem os menores níveis de ruído obtivessem a pontuação mais alta. Era imperativo garantir que um regulador que se saísse excepcionalmente bem em um ponto de teste, mas mal em outros pontos, não distorcesse os resultados com uma pontuação artificialmente alta.

É importante também notar que a pontuação é baseada puramente no desempenho, então fatores como custo, tensão de saída e classificação de corrente de saída não influenciam os rankings.

Então, vamos agora olhar para a lista dos dez melhores reguladores de tensão comutados que foram testados e pontuados.

Ranking de Reguladores de Tensão Comutados

1. No topo está o GAPTEC Electronic LMO78_05-1.0, que pode não parecer extraordinário à primeira vista das informações disponíveis sobre o produto devido ao seu datasheet minimalista. Os resultados dos testes mostram que este regulador possui uma eficiência máxima impressionante de 99,3% e uma sólida eficiência média de 82,2%, com um respeitável baixo ruído médio de 5,54mV. Sob cargas leves de 70mA e 20mA, mantém seu forte desempenho, com eficiências de 77,5% e 77,7%, respectivamente. Ele demonstra uma excelente resposta a variações de carga, mas leva algum tempo para iniciar, o que pode desqualificá-lo para algumas aplicações.
2. Na segunda posição está o GAPTEC Electronic LCB78_05-0.5. Este regulador também carece de informações suficientes no datasheet, apresentando apenas um gráfico de eficiência versus tensão de entrada em carga total e um gráfico de ruído. Apesar disso, iguala a eficiência máxima do modelo top de 99,3%, mas fica um pouco aquém com uma eficiência média de 81,2%. Mantém um ruído médio decentemente baixo de 5,19mV, aumentando ligeiramente para 5,34mV sob uma carga de 20mA.
3. Ocupando a terceira posição está o Traco Power TSR 2-2433. Incrivelmente, a ficha técnica deste componente não inclui nenhum gráfico, escondendo seu potencial. Este regulador de 3.3V 2A entrega uma eficiência máxima de 95,5% e uma eficiência média de 81%, tudo isso mantendo o ruído ao mínimo, com uma média de apenas 3,79mV.
4. Em seguida, na quarta posição, está o CUI VX7803-500. Este regulador de 3.3V 0.5A oferece uma alta eficiência máxima de 98,8% e uma eficiência média de 76,8%. Embora mantenha um nível de ruído moderado a 4,38mV, o ruído médio aumenta para 6,82mV para cargas inferiores a 20mA.
5. Na quinta posição está o XP Power VR05S05. Este regulador de 5V 0.5A consegue alcançar uma alta eficiência de 95,2% e uma média de 80,5%, mantendo um nível de ruído razoavelmente bom de 4,85mV em cargas altas. Os níveis de ruído aumentam em cargas mais baixas, mas a eficiência permanece dentro de uma faixa confortável.
6. Na sexta posição está o Traco Power TSR 1.5-2433E. Este regulador de 3,3V 1,5A tem um bom desempenho, com uma eficiência geral de 94,6% e uma média razoável de 77,9%. Com uma operação de baixo ruído de tensão, apresentando um nível médio de ruído de 3,27mV em sua carga total, ele exibe uma leve queda de eficiência em cargas mais baixas, mas permanece uma escolha sólida.
7. Na sétima posição está o CUI VXO7803-1000. Este regulador de 3,3V 1A tem uma eficiência máxima sólida de 94,7% e uma eficiência média relativamente boa de 77,8%. No entanto, possui níveis de ruído mais altos do que seus colegas do top 10, medindo uma média de 6,23 mV.
8. Na oitava posição está o Recom Power R-78C5.0-1.0. Sua eficiência máxima atinge 94,2%, e entrega uma eficiência média de 77,5%. Este regulador de 5V 1A tem uma baixa figura de ruído de 3,73mV em carga total. No entanto, a eficiência cai mais notavelmente em cargas mais baixas, chegando a uma média de apenas 60,4% para cargas abaixo de 20mA, que é a mais baixa dos reguladores nesta lista dos top 10.
9. Na nona posição está o GAPTEC Electronic LME78_05-1.0. Este regulador de 5V 1A tem uma eficiência máxima de 93,4% e uma eficiência média de 78,4%. Os níveis de ruído são um pouco mais altos, com uma média de 6,1mV, mas ele apresenta um desempenho razoavelmente bom sob condições de carga mais baixas.
10. Finalmente, em décimo lugar, temos o GAPTEC Electronic LMO78_05-0.5. Este módulo de 5V 0.5A alcança uma impressionante eficiência máxima de 94,7% e uma média de 78,1%. Apesar do nível de ruído ligeiramente mais alto, a 6,31mV, é um regulador competente sob cargas mais baixas, embora a eficiência caia para 65,5% para cargas abaixo de 20mA.

Fora do top dez, mas merecendo uma menção honrosa, estão os reguladores produzidos pela Würth Elektronik. Estes componentes têm o mais alto padrão de fichas técnicas entre todos os reguladores examinados aqui, razão pela qual eu frequentemente escolho usá-los. O melhor regulador da Würth Elektronik ficou em décimo segundo lugar sob o método de pontuação usado para este ranking, embora se o suporte ao produto e a qualidade das fichas técnicas tivessem sido fatores, eles teriam pontuado muito mais alto. 

Conclusão

Escolher o melhor regulador de tensão de comutação para o seu projeto de circuito não deveria ser difícil. Suponha que você conheça os parâmetros chave como as tensões de entrada e saída, corrente de saída ao longo da faixa de carga e os níveis máximos aceitáveis de ruído. Nesse caso, você deveria ser capaz de escolher um com base em fatores como eficiência, custo e embalagem.

Uma das principais conclusões deste exercício foi a falta de dados de desempenho claros, confiáveis e abrangentes nas fichas técnicas dos módulos reguladores de tensão testados. Sem acesso aos principais parâmetros de desempenho, há chances de que você possa perder as melhores opções.

O objetivo do exercício foi produzir um conjunto de informações de dados de desempenho do mundo real para ajudá-lo a selecionar o melhor regulador para seus projetos de design, com todos os muitos milhões de pontos de dados disponíveis em partplayground.com se você quiser realizar sua própria análise ou classificação. Fique de olho para mais vídeos de análise de componentes do mundo real em breve. Não se esqueça de assistir ao vídeo acompanhante para aprender mais sobre os testes e os resultados.

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