Топ-10 модулей коммутационных регуляторов

Модули коммутационных регуляторов теперь являются неотъемлемой частью широкого спектра электронных устройств, предлагая более эффективный метод преобразования напряжения с одного уровня на другой за счет хранения и высвобождения энергии. Ключ к успеху заключается в нахождении отличного регулятора напряжения, который предлагает лучшую производительность, соответствующую потребностям вашей схемы.

Отличный регулятор напряжения — это эффективный регулятор, который сводит к минимуму пульсации на выходе. Однако выбор подходящего регулятора может быть сложной задачей, поскольку показатель эффективности в списке компонентов поставщика не рассказывает всю историю.

Эффективность по своей сути зависит от входного напряжения и выходного тока, которые будут варьироваться для каждого приложения. Некоторые регуляторы кажутся предлагающими гиперэффективную производительность. Однако, изучив мелкий шрифт, выясняется, что этот показатель применим только при максимальной нагрузке, и эффективность значительно хуже при малых нагрузках. Это расхождение объясняет, почему важно знать производительность регулятора в условиях, соответствующих рабочим параметрам вашего приложения.

Проблема оценки производительности

Вы можете увидеть отличный пример сложности выбора регулятора с лучшими характеристиками для ваших нужд на примере Monolithic Power Systems MEZD71202A-G. Этот компонент представляет собой открытый ступенчатый модуль питания с входным напряжением 6,5 до 24В, постоянным выходным током 2А и выходным напряжением 5,0В. Производитель утверждает, что он обеспечивает до 92% пиковой эффективности.

Сложность для разработчика заключается в том, что в техническом описании представлена диаграмма эффективности, но показана только кривая эффективности при загрузке свыше 60% с входным напряжением 12В. Однако, если вы используете этот регулятор с микроконтроллером в схеме с периодически высоким потреблением тока, вы редко увидите этот уровень эффективности. Средняя эффективность падает до 27% при нагрузках ниже 20мА. Она составляет около 36% для нагрузок ниже 70мА, что является типичными нагрузками для работы большинства микроконтроллеров, включая мощные устройства ARM-Cortex.

Проблема заключается в том, что этот недостаток комплексных данных относится ко всем производителям.

Рейтинг модели регулятора

Лучший способ найти идеальный регулятор напряжения для вашей схемы - сравнить реальные характеристики доступных модулей регуляторов напряжения с конкретными требованиями вашей схемы. В этом вам поможет данная статья, показывая, как эти компоненты работают, когда они извлечены из упаковки и подключены в лаборатории. Также будут представлены топ-10 выборов на основе эффективности и шума.

Представленные результаты являются итогом тестирования модулей регуляторов напряжения, проведенного в течение восьми месяцев, в результате которого было сгенерировано почти 40 миллионов данных. Эти тесты были сосредоточены на переключающих регуляторах, предназначенных для замены 5В или 3.3В линейных регуляторов с низким падением напряжения.

Результаты получены в результате тестирования 40 различных регуляторов напряжения в этом году, большинство из которых имеют номинальную нагрузку между 500 мА и 2А. Все данные испытаний доступны онлайн на сайте partplayground.com для изучения и использования при выводах.

Обзор результатов

Отличный способ получить обзор различий между брендами - сравнить измерения, взятые для сравнительных результатов. Графики средней эффективности с минимальной/максимальной областью, указывающей границы их эффективности, предоставляют отличный относительный показатель производительности бренда.

Эффективность переключающих регуляторов по брендам

На следующем изображении показаны результаты измерений эффективности регуляторов по брендам при нагрузке 1А. Визуализация результатов таких измерений позволяет легко выявлять тенденции в данных. В данном примере видно, что некоторые бренды в среднем показывают лучшую производительность, чем другие. Однако, дьявол кроется в деталях, поэтому имейте в виду, что размеры выборки каждого бренда различаются, поэтому следует быть осторожным перед тем, как делать выводы.

Тем не менее, этот график показывает нам, что при нагрузке свыше примерно 300 мА регуляторы от различных производителей, как правило, достигают довольно стабильного уровня эффективности. Эта информация говорит нам о том, что большинство брендов будут работать достойно при нагрузке выше 300 мА, когда речь идет о регуляторах в диапазоне нагрузки от 500 мА до 2А.

Данные показывают широкий диапазон различных показателей эффективности при рассмотрении эффективности регуляторов при нагрузках ниже 100 мА, начиная от всего 15% до впечатляющих 99%. Ниже приведенный график расширяет этот раздел результатов, чтобы сделать различия легче интерпретируемыми.

График показывает, что если вы ищете регулятор переключения напряжения для использования в приложениях с преимущественно низкой нагрузкой, вам будет лучше провести представительское тестирование потенциальных кандидатов, чем полагаться на информацию из технических описаний. В качестве альтернативы, вы можете сэкономить время и усилия, ознакомившись с данными, собранными в ходе тестирования для этой статьи и опубликованными на partplayground.com.

Различие в эффективности, показанное на графике выше, также может быть связано с тем, что у некоторых регуляторов напряжения диапазон входного напряжения шире, чем у других, что приводит к плохой эффективности некоторых брендов на диаграмме. Вы можете учесть это, ознакомившись со следующим графиком, который показывает эффективность всех регуляторов в зависимости от соотношения входного и выходного напряжения. Поскольку набор данных включает регуляторы с широким диапазоном выходных напряжений, представление данных на основе соотношения является наиболее логичным.

Большинство испытанных регуляторов имели соотношение входного к выходному напряжению менее 6. Следовательно, за пределами этого соотношения к набору данных внесли вклад меньшее количество регуляторов. Однако, на основе доступных данных, входное напряжение значительно влияет на эффективность регулятора, особенно при малых нагрузках.

Уровни шума регуляторов переключения по брендам

Еще одним важным аспектом при выборе импульсного регулятора напряжения является уровень шумов на выходном напряжении. Помехи от коммутационной логики могут создавать проблемы в некоторых схемах, и всегда проще и практичнее выбрать регулятор с низким уровнем шума, чем добавлять дополнительные компоненты в вашу схему для снижения уровня шума, если он слишком высок.

На следующем графике сравнивается шумовая характеристика по маркам, с тем же оговоркой, что и при сравнении эффективности: различный размер выборки для каждой марки может влиять на результаты тенденций.

Эти показательные результаты действительно показывают, что, что интересно, некоторые из самых эффективных регуляторов также производят самый низкий уровень шума. Таким образом, эти два фактора вместе указывают на общее качество производительности регулятора.

Результаты измерения уровней шума при различных входных напряжениях также показывают, что уровни шума на выходе остаются относительно стабильными для каждого регулятора, причиной наибольших вариаций уровней шума на выходе являются изменения нагрузки.

Оценка импульсных регуляторов напряжения

Я определил десять лучших переключаемых регуляторов напряжения, присвоив каждому регулятору оценку на основе измеренной производительности. При оценке учитывались максимальная и средняя эффективность, а также абсолютная эффективность и уровни шума при нагрузках 20 мА и 70 мА. Основой для оценок была производительность каждого испытанного регулятора по каждому показателю по сравнению с производительностью всех других регуляторов в наборе данных.

Я разработал схему оценок таким образом, чтобы регуляторы, показывающие лучшие результаты при всех нагрузках и производящие наименьший уровень шума, получали наивысший балл. Было важно обеспечить, чтобы регулятор, который показал исключительно хорошие результаты в одной точке испытаний, но плохие в других, не искажал результаты искусственно высокой оценкой.

Также важно отметить, что оценка основана исключительно на производительности, так что такие факторы, как стоимость, выходное напряжение и номинальный выходной ток, не влияют на рейтинг.

Так что давайте теперь посмотрим на десятку лучших переключаемых регуляторов напряжения, которые были испытаны и оценены.

Рейтинг переключаемых регуляторов напряжения

1. На первом месте находится регулятор GAPTEC Electronic LMO78_05-1.0, который на первый взгляд на доступную информацию о продукте может показаться не выдающимся из-за своего минималистичного технического описания. Результаты тестов показывают, что этот регулятор обладает впечатляющей максимальной эффективностью в 99,3% и солидной средней эффективностью в 82,2%, с уважаемым низким средним уровнем шума в 5,54мВ. При небольших нагрузках 70мА и 20мА он сохраняет свою сильную производительность, с эффективностью 77,5% и 77,7% соответственно. Он демонстрирует отличную реакцию на изменение нагрузки, но требует некоторого времени для запуска, что может исключить его из некоторых применений.
2. На втором месте находится регулятор GAPTEC Electronic LCB78_05-0.5. Этот регулятор также страдает от недостатка информации в техническом описании, имея только график эффективности против входного напряжения при полной нагрузке и график шума. Несмотря на это, он соответствует максимальной эффективности лидирующей модели в 99,3%, но немного уступает с средней эффективностью в 81,2%. Он поддерживает приемлемо низкий средний уровень шума в 5,19мВ, который немного увеличивается до 5,34мВ при нагрузке 20мА.
3. Занимая третье место, находится Traco Power TSR 2-2433. Удивительно, но техническое описание этого компонента не содержит никаких графиков, скрывая его потенциал. Этот регулятор на 3.3В 2А обеспечивает максимальную эффективность 95,5% и среднюю эффективность 81%, при этом поддерживая уровень шума на минимуме в среднем всего 3,79мВ.
4. Далее, занимая четвертое место, идет CUI VX7803-500. Этот регулятор на 3.3В 0.5А обеспечивает высокую максимальную эффективность 98,8% и среднюю эффективность 76,8%. Хотя он поддерживает умеренный уровень шума на уровне 4,38мВ, средний уровень шума увеличивается до 6,82мВ при нагрузках менее 20мА.
5. На пятом месте находится XP Power VR05S05. Этот регулятор на 5В 0.5А удается достичь высокой эффективности 95,2% и средней эффективности 80,5%, при этом поддерживая довольно хороший уровень шума 4,85мВ при высоких нагрузках. Уровни шума увеличиваются при меньших нагрузках, но эффективность остается в комфортном диапазоне.
6. На шестом месте находится Traco Power TSR 1.5-2433E. Этот регулятор 3.3V 1.5A показывает хорошие результаты с общим КПД 94.6% и приемлемым средним показателем 77.9%. При работе с низким уровнем пульсаций напряжения и средним уровнем шума 3.27мВ на полной нагрузке, он демонстрирует небольшое снижение эффективности при меньших нагрузках, но остается надежным выбором.
7. На седьмом месте расположился CUI VXO7803-1000. Этот регулятор 3.3V 1A имеет твердый максимальный КПД 94.7% и довольно хороший средний КПД 77.8%. Однако у него выше уровень шума по сравнению с его коллегами из топ-10, составляющий в среднем 6.23 мВ.
8. На восьмом месте находится Recom Power R-78C5.0-1.0. Его максимальная эффективность достигает 94.2%, и он обеспечивает среднюю эффективность 77.5%. Этот регулятор 5V 1A имеет низкий показатель шума 3.73мВ при полной нагрузке. Однако эффективность заметно падает при меньших нагрузках, показывая в среднем всего 60.4% для нагрузок менее 20мА, что является самым низким показателем среди регуляторов в этом топ-10 списке.
9. На девятом месте находится регулятор GAPTEC Electronic LME78_05-1.0. Этот регулятор на 5В 1А имеет максимальную эффективность 93,4% и среднюю эффективность 78,4%. Уровень шума немного выше, в среднем 6,1мВ, но он довольно хорошо работает при меньших нагрузках.
10. Наконец, на десятом месте у нас GAPTEC Electronic LMO78_05-0.5. Этот модуль на 5В 0,5А достигает впечатляющей максимальной эффективности 94,7% и средней 78,1%. Несмотря на немного более высокий уровень шума 6,31мВ, это компетентный регулятор при меньших нагрузках, хотя эффективность падает до 65,5% при нагрузках менее 20мА.

За пределами первой десятки, но заслуживающие похвального упоминания, находятся регуляторы, произведенные компанией Würth Elektronik. Эти компоненты имеют самые высокие стандарты технических описаний среди всех рассмотренных здесь регуляторов, поэтому я часто выбираю их для использования. Лучший регулятор Würth Elektronik занял двенадцатое место по методу оценки, использованному для этого рейтинга, хотя если бы учитывались поддержка продукта и качество технических описаний, они бы заняли гораздо более высокое место. 

Заключение

Выбор лучшего импульсного регулятора напряжения для вашей схемы не должен быть сложным. Предположим, вы знаете ключевые параметры, такие как входные и выходные напряжения, выходной ток в диапазоне нагрузки и максимально допустимые уровни шума. В этом случае вы должны быть в состоянии выбрать подходящий на основе таких факторов, как эффективность, стоимость и упаковка.

Одним из ключевых выводов из этого упражнения было отсутствие четких, надежных и всесторонних данных о производительности в технических описаниях испытанных модулей регулятора напряжения. Без доступа к ключевым параметрам производительности есть вероятность, что вы можете упустить лучшие варианты.

Целью упражнения было создание набора информации о реальной производительности для помощи в выборе лучшего регулятора для ваших проектов, с миллионами доступных точек данных на partplayground.com, если вы хотите провести свой анализ или ранжирование. Будьте внимательны к новым видеоанализам компонентов в реальных условиях, которые скоро появятся. Не забудьте посмотреть сопровождающее видео, чтобы узнать больше о тестировании и результатах.

Когда вы будете готовы создать свою печатную плату с модулем или микросхемой регулятора напряжения, используйте инструменты проектирования и размещения в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.