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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LDO oder Schaltregler


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Autor: Wandler (Gast)
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Hallo,

habe hier eine Applikation, bei der ein großer Teil der Betriebszeit im 
Sleep verbracht wird.

Batterie / Akkuspannung liegt bei 6V
Controller wird mit 3V arbeiten

Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen, oder einen Schaltwandler?
Die Active-Time wird bei ca. 2% der Betriebszeit liegen.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Wandler schrieb:

> Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen,

Wieso willst Du bei einer Differenzspannung von 3V einen LDO nehmen?

Autor: Domenik (Gast)
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Beste Antwort: Kommt drauf an

Autor: Domenik (Gast)
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Nämlich auf erlaubte Erwärmung, Strom, Platz, EMV, Kosten...

Autor: Domenik (Gast)
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Mindestlast

Autor: Falk B. (falk)
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Wandler schrieb:
> Hallo,
>
> habe hier eine Applikation, bei der ein großer Teil der Betriebszeit im
> Sleep verbracht wird.
>
> Batterie / Akkuspannung liegt bei 6V
> Controller wird mit 3V arbeiten
>
> Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen, oder einen Schaltwandler?

Du meinst einen Linearregler. LDO ist ein spezieller Typ von 
Linearregler.

> Die Active-Time wird bei ca. 2% der Betriebszeit liegen.

Linearregler.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Versorgung_aus_einer_Zelle#Vier_Mignonzellen_mit_LowDrop-Linearregler

Autor: Wandler (Gast)
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...kann man das denn pauschalisieren?

Also ab Duty Cycle kleiner X-Prozent lohnt sich der Linearregler mehr 
als der Schaltregler, oder ab Y% Spannungsdifferenz ist ein LDO besser 
als ein StepDown-Regler...?

Ich meine bei 4 Batterien bzw. 4 Akkus lande ich bei 4,8V bis 6V und 
möchte eigentlich bei 3V arbeiten.
Faktisch vernichte ich ja damit zwischen 37% bis 50% der zur Verfügung 
stehenden Spannung, was ja letztendlich 37% bis 50% der verfügbaren 
Energie entspricht...

Ich meine, wenn ich im Fall mit 4 Zellen und Nutzung von Batterien 50% 
der Leistung verbrate um von 6 auf 3V zu kommen, dann könnte ich ja 
genau so gut nur 2 Zellen verwenden und einen Step-Up-Wandler einsetzen, 
der die Zellen dann möglichst leer lutscht... oder mache ich mir das zu 
einfach?

Autor: Harald A. (embedded)
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Ich glaube, du vergisst bei deiner Betrachtung den Eigenverbrauch des 
Schaltreglers bzw. Linearreglers. Tendenziell (aber nicht immer) kann 
ein spezialisierter Linearegler leichter auf niedrigen Eigenverbrauch 
getrimmt werden als ein Switcher, denn der muss ja nicht takten. Dafür 
gibt es andere Probleme, aber das sein hier mal für diese Betrachtung 
egal.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Wandler schrieb:
> Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen, oder einen Schaltwandler?
> Die Active-Time wird bei ca. 2% der Betriebszeit liegen.

Das hängt auch von der Stromaufnahme in den beiden Betriebszuständen ab.

Autor: Harald A. (embedded)
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Wolfgang schrieb:
> Wandler schrieb:
>> Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen, oder einen Schaltwandler?
>> Die Active-Time wird bei ca. 2% der Betriebszeit liegen.
>
> Das hängt auch von der Stromaufnahme in den beiden Betriebszuständen ab.

Genau!

Ein Beispiel:
1 Jahr sind 31536000sec, bei 2% Aktivität 630720sec ON, 30905280sec OFF

Sagen wir weiterhin Eigenverbrauch LDO 10uA, Switcher 1mA (100% 
Effizienz)
CPU(3V) im Idle 1uA, im Betrieb 20mA

Energie LDO in 1 Jahr
30905280sec*(1uA+10uA) + 630720*(20mA+1uA) = 12955As * 3V = 38865Ws

Energie Switcher in 1 Jahr
30905280sec*(1uA+1000uA) + 630720*(20mA+1mA) = 44181As * 3V = 132542Ws

Es ist schon spät, verzeiht bitte wenn Fehler drin sind... aber das 
Prinzip dürfte nun einleuchten, oder?
——-
Ich sehe gerade, das Beispiel hinkt etwas: Die Rechnung beinhaltet 
natürlich noch nicht die Verluste durch die Spannungsdifferenz am LDO. 
Man müsste eigentlich beide Wirkungsgrade mit einrechnen. Man erkennt 
jedoch, das im Idle die Effizienz des LDOs besser sein kann.

: Bearbeitet durch User
Autor: avr (Gast)
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Dabei ist 1mA für einen Low Power Schaltregler sehr mies. Inzwischen 
gibt es welche im zweistelligen nA Bereich: 
http://www.ti.com/product/TPS62840
Es bleibt somit eine reine Kostenfrage. Der LDO wird günstiger sein - in 
den seltesten Fällen effizienter.

Autor: Karl K. (karl2go)
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Wandler schrieb:
> Ist es nun günstiger, einen LDO ein zu setzen, oder einen Schaltwandler?

Schaltregler lohnt hier nicht.

MAX884, MCP1703, MC33375

Autor: Karl K. (karl2go)
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avr schrieb:
> gibt es welche im zweistelligen nA Bereich:
> http://www.ti.com/product/TPS62840
> Es bleibt somit eine reine Kostenfrage.

Das ist vor allem eine Bschaffungsfrage. Nett dass es die Dinger gibt, 
aber erstens ist das Gehäuse regelmäßig bescheiden, und zweitens bekommt 
man sie kaum, wenn man nicht Großabnehmer ist. Lieferzeit bei Mouser 11 
Wochen, na danke.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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Karl K. schrieb:
> avr schrieb:
>> gibt es welche im zweistelligen nA Bereich:
>> http://www.ti.com/product/TPS62840
>> Es bleibt somit eine reine Kostenfrage.
>
> Das ist vor allem eine Bschaffungsfrage. Nett dass es die Dinger gibt,
> aber erstens ist das Gehäuse regelmäßig bescheiden, und zweitens bekommt
> man sie kaum, wenn man nicht Großabnehmer ist. Lieferzeit bei Mouser 11
> Wochen, na danke.

Ich gehe davon aus, daß es auch von anderen Herstellern Switcher mit 
geringem Eigenbedarf gibt. 65nA sind ja nicht zwingend nötig. Schon mit 
1µA Eigenbedarf würde ein Switcher einen LDO vermutlich schlagen.

Am Ende muß man es einfach einmal durchrechnen. Das Prinzip hat Harald 
oben ja gezeigt. Man betrachtet die beiden Betriebszustände (idle und 
aktiv) mit den jeweiligen Strömen an 3V und berechnet den dazu nötigen 
Strom aus der Batterie. Dann wichtet man beide Werte entsprechend der 
zeitlichen Verteilung der Betriebszustände.

Ich rechne nochmal mit etwas realistischeren Zahlen. Batterie sei 4x 
Alkali Primärzelle mit im Mittel 1.2V, also 4.8V mittlere 
Eingangsspannung. Der µC sei zu 98% im Idle mit 1µA und 2% aktiv mit 
20mA.

Linearregler MCP1700 mit Iq=1.6µA. Switcher MCP16311 mit Iq=44µA und 
einem Wirkungsgrad von 85%.

Idle: Linearregler braucht 1.6µA + 1µA = 2.6µA. Switcher braucht 44µA + 
1µA × (3V÷4.8V) ÷ 85% ~= 44.75µA.

Aktiv: Linearregler braucht 1.6µA + 20mA = 20.0016mA. Switcher braucht 
44µA + 20mA × (3V÷4.8V) ÷ 85% ~= 14.75mA.

Gewichtet mit 98% zu 2% gibt die mittlere Stromaufnahme an der Batterie;
Linearregler: 403µA vs. Switcher: 339µA

Guck mal. Hätte ich nicht gedacht. Das ist praktisch Gleichstand. Jetzt 
kommt es darauf an, alle Schätzwerte nochmal kritisch zu hinterfragen. 
Man sollte die Rechnung für verschiedene Wirkungsgrade des Switchers und 
verschiedene idle/aktiv Verhältnisse wiederholen.

Autor: Patrick C. (pcrom)
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Wandler schrieb:
> dann könnte ich ja
> genau so gut nur 2 Zellen verwenden und einen Step-Up-Wandler einsetzen,
> der die Zellen dann möglichst leer lutscht... oder mache ich mir das zu
> einfach?

Gib bitte mal die ganze schaltung. Wenn man der uP direct von batterie 
speisen kann und nur step-up benutzt wenn noetig (oder uP mit 
eingebauter flexibeler step-up), ist man viel energie-guenstiger. 
Brauchst du die 6V fuer etwas anders ?

Patrick

Autor: Wandler (Gast)
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>Aktiv: Linearregler braucht 1.6µA + 20mA = 20.0016mA. Switcher braucht
>44µA + 20mA × (3V÷4.8V) ÷ 85% ~= 14.75mA.


Ist der Aktivfall nicht falsch berechnet?

Wäre es nicht richtigerweise so:

Linearregler Aktiv :
1,6uA + 20mA × (4,8V ÷ 3,0V) = 32,0016mA

Linearregler Idle:
1,6uA + 1,0uA × (4,8V ÷ 3,0V) = 3,2uA


Schaltregler Idle:
44µA + 1µA ÷ 85% ~= 45.17µA.

Schaltregler Aktiv:
44µA + 20mA ÷ 85% ~= 23.52mA.

Autor: MaWin (Gast)
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Wandler schrieb:
> Linearregler Aktiv :
> 1,6uA + 20mA × (4,8V ÷ 3,0V) = 32,0016mA

Nein.

Autor: Peter D. (peda)
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Wandler schrieb:
> ...kann man das denn pauschalisieren?

Nein.
Ohne konkrete Stromangaben kann jede Antwort richtig oder falsch sein.

Autor: Falk B. (falk)
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Wandler schrieb:
>>Aktiv: Linearregler braucht 1.6µA + 20mA = 20.0016mA. Switcher braucht
>>44µA + 20mA × (3V÷4.8V) ÷ 85% ~= 14.75mA.
>
> Ist der Aktivfall nicht falsch berechnet?

Nö, deine Rechung ist Nonesense

> Wäre es nicht richtigerweise so:
>
> Linearregler Aktiv :
> 1,6uA + 20mA × (4,8V ÷ 3,0V) = 32,0016mA

Kaum.

> Linearregler Idle:
> 1,6uA + 1,0uA × (4,8V ÷ 3,0V) = 3,2uA

Au weia!

> Schaltregler Idle:
> 44µA + 1µA ÷ 85% ~= 45.17µA.
>
> Schaltregler Aktiv:
> 44µA + 20mA ÷ 85% ~= 23.52mA.

Schon wieder falsch, vor allem wie hier die Spannungstransformation 
fehlt.

Wenn man keine Ahnung hat, einfach mal  . . .

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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Wandler schrieb:

> Wäre es nicht richtigerweise so:

(schnipp)

Nein, alles falsch. Beim Linearregler fließt der Ausgangsstrom auch auf 
der Eingangsseite, vollkommen unabhängig davon, wieviel größer die 
Eingangsspannung ist als die Ausgangsspannung. Und der Eigenstrombedarf 
des Reglers kommt noch dazu.

Beim Schaltregler sind theoretisch Eingangs- und Ausgangs leistung 
gleich. Bei doppelter Eingangsspannung braucht er also nur den halben 
Strom. In der Praxis ist die Ausgangsleistung etwas kleiner, weil der 
Wirkungsgrad unter 100% liegt.

Autor: avr (Gast)
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Karl K. schrieb:
> Das ist vor allem eine Bschaffungsfrage. Nett dass es die Dinger gibt,
> aber erstens ist das Gehäuse regelmäßig bescheiden, und zweitens bekommt
> man sie kaum, wenn man nicht Großabnehmer ist. Lieferzeit bei Mouser 11
> Wochen, na danke.

Das Bauteil ist halt neu. Du kannst es aktuell direkt bei TI kaufen. Das 
Gehäuse lässt sich mit wenig Übung mit Heißluft löten. Bei 
hochfrequenten Schaltregler ist ein kleines Gehäuse übrigens förderlich 
für ein gutes Layout.

Ansonsten gibt es auch den TPS62740 mit etwas höherem Iq.

Autor: Joggel E. (jetztnicht)
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Als Lowpower Schaltregler allenfalls einen TPS62056, TPS62102

Autor: Wolfgang (Gast)
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Harald A. schrieb:
> Es ist schon spät, verzeiht bitte wenn Fehler drin sind... aber das
> Prinzip dürfte nun einleuchten, oder?
> ——-
> Ich sehe gerade, das Beispiel hinkt etwas: Die Rechnung beinhaltet
> natürlich noch nicht die Verluste durch die Spannungsdifferenz am LDO.
> Man müsste eigentlich beide Wirkungsgrade mit einrechnen. Man erkennt
> jedoch, das im Idle die Effizienz des LDOs besser sein kann.

Bis auf Wirkungsgrad und weltfremde Werte ist das Prinzip richtig 
erklärt.

Ein LTC3642 zieht einen Ruhestrom von 12µA und Digikey hat über 3000 auf 
Lager, die sie sogar in Einzelstückzahlen verkaufen würden.

Bleibt die Frage, wieviel Strom auf der 3V-Seite geliefert werden muss?

Autor: Harald A. (embedded)
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Wolfgang schrieb:
> Bis auf Wirkungsgrad und weltfremde Werte ist das Prinzip richtig
> erklärt.

Da hast du Recht, die Werte waren übertrieben, bei meiner ersten 
Beispielrechnung kamen zu gute Werte für den Switcher raus, daher musste 
ich etwas an den Werten schrauben. Sollte ja nur das Prinzip zeigen, 
dass LDO für Schaltungen mit viel Standby besser sein kann (aber nicht 
muss)

Habe gerade gesehen, dass der von mir in letzter Zeit häufig verwendete 
TPS54202 auch einen sehr kleinen Eigenverbrauch hat. Dazu SOT23-6, mit 
grober Technik gut lötbar. Mit einer kleinen 4x4mm Spule und keramischen 
Cs sehr klein aufbaubar. Dazu noch kostengünstig.

https://lcsc.com/product-detail/Others_Texas-Instruments_TPS54202DDCR_Texas-Instruments-TI-TPS54202DDCR_C191884.html


OT: Es macht übrigens Spaß mit der parametrischen Suche bei LCSC mal zu 
schauen, welche Schaltregler man für <5 Cent bekommen kann (bei 
Stückzahl 1). Gleiches Spiel bei Power-Induktivitäten und MLCCs. Für 50 
Cent und weniger kann man schon komplette Powerlösungen hinbekommen. 
Wohlgemerkt, bei sehr kleiner Stückzahl! Der hier z.B. für 9,3ct@10Stk., 
braucht auch nur 100uA für sich selbst:
https://lcsc.com/product-detail/DC-DC-Converters_Silergy_SY8113BADC_SY8113BADC_C78989.html

Autor: Karl K. (karl2go)
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Harald A. schrieb:
> TPS54202

Ja, der ist nett, und er hat Unterspannungsabschaltung über den EN-Pin, 
was mir bei Akkubetrieb wichtig wäre.

Autor: Wandler (Gast)
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...ok danke, glaube mir ist jetzt einiges klarer.

Bei einem Step-Up-Wandler sähe es dann wie folgt aus:

Quelle 6V
Ausgang 12V
Wirkungsgrad 90%

Leistung am Ausgang: 2W

Daraus folgt: Leistung am Schaltwandler 2W / 90% = 2,22W

korrekt?

Autor: Olaf (Gast)
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> dass LDO für Schaltungen mit viel Standby besser sein kann (aber nicht
> muss)

Es hat in den letzten 5-10Jahren sowohl bei den LDOs wie auch den 
Schaltreglern eine enorme Entwicklung Richtung geringen Eigenverbrauchs 
gegeben. Man kann also immer nur Teile die ungefaehr gleich alt sind 
vergleichen.
Die neueren Typen haben aber auch oft (nicht immer) einen Nachteil. 
Wegen modernerer Herstellungsverfahren haben die nur noch einen 
kleineren Eingangsspannungsbereich als alte Teile. Aehnlich wie auch bei 
OPs.

In der Praxis wenn einem jedes mW wichtig ist muss man auch jedesmal zum 
Taschenrechner greifen!

Olaf

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