Topología de suministro de 3 V y 5 V (diseño integrado, señal mixta)

Estoy desarrollando un sistema integrado de señal mixta que requiere rieles de 5V y 3V.

El riel de 5V alimenta un sensor analógico y un ADC de precisión. La naturaleza del sensor es tal que su salida será CC la mayor parte del tiempo y cambiará lentamente el resto del tiempo. El bajo nivel de ruido y el bajo coeficiente de temperatura son los aspectos más importantes de este riel.

El riel de 3 V alimenta el circuito digital (interfaz digital ADC, MCU (comunicaciones SPI y UART), módem). Hay dos esclavos SPI: el ADC y un DAC. El ruido, tempco y regulación de este carril no son críticos. El bajo costo es lo más importante.

El ADC está muestreando continuamente, las transacciones SPI son periódicas y la comunicación UART es bajo demanda (y poco frecuente). El oscilador interno del microcontrolador funciona a 1 MHz y está sincronizado con un cristal de reloj de 32768 Hz.

Debe haber un amplio rango de voltaje de entrada (10 - 40 V CC). Por esta razón tengo la intención de utilizar LDO de tres series; el primero se conectará a la entrada y generará 5.5V. El motivo de 5,5 V es que el suministro de 5 V tiene un voltaje de caída de 200 mV, que debe mantenerse en un amplio rango de temperatura.

Este riel de 5,5 V alimentará a los otros dos LDO. En la siguiente imagen se muestran dos formas de lograr esto (la resistencia de 40 ohmios es parte integral de un circuito integrado; toda la corriente del circuito fluye a través de él):

Topologías de suministro de 3 V y 5 V

Con referencia a la imagen, evalúe la veracidad de las siguientes afirmaciones:

1) La topología B es muy superior, incluso si los suministros se desvían bien, ya que los cambios en la demanda seguirán teniendo algún efecto en la regulación de la carga del riel de 5V.

2) No hay mucha diferencia entre las topologías A y B, si los suministros están bien puenteados y el riel de 5V tiene una buena regulación de carga.

3) Las declaraciones 1) y 2) no pueden evaluarse significativamente sin más información sobre el sistema y los componentes.

4) El mayor efecto, con mucho, se debe al esquema de conexión a tierra (por ejemplo, conexiones a tierra en cadena de vuelta a la resistencia de 40 ohmios en lugar de una configuración en estrella).

5) Ambas topologías son una forma extraña/ineficiente de lograr el objetivo. Hay soluciones que son mucho mejores en términos de costo y rendimiento.

6) Esta pregunta muestra una falta de comprensión.

EDITAR: 7) Los LDO generalmente son mejores para lidiar con la variación de línea que con la variación de carga. Entonces, si bien la topología B podría tener más efecto en el riel de 5,5 V, el LDO de 5 V manejará esto mejor que si hubiera un efecto en su carga (como ocurre en la topología A).

EDITAR: Para aclarar, el circuito es de baja potencia: solo se extraen 3.1 mA en total de la entrada.

Una nota para los demás, los diagramas se leen de derecha a izquierda. No de izquierda a derecha. Me desconcertó por un segundo, estaba pensando "¿este tipo está conectando la salida de un LDO de 5v y 3v juntos?"
El primer regulador, que reduce los 10 a 40 voltios a 5,5, debe ser un regulador de conmutación. Un regulador lineal desperdiciará una gran cantidad de energía y requerirá un disipador de calor grande, a menos que el requisito de corriente total sea muy bajo.
1. ¿Cuáles son los requisitos actuales de 5 V y 3,3 V? 2. ¿Puede cuantificar los requisitos de tolerancia de voltaje, ruido y tempco del riel de 3,3 V? 3. Con 1Mhz ~ 30.5 * 32768, ¿cómo funciona tu sincronización?
@ShannonStrutz, Sí, eso es un poco confuso. No sé por qué lo dibujé de esa manera.
@PeterBennett, este es un sistema de 4-20 mA de dos cables: corriente de salida = corriente de suministro = proporcional al proceso medido. La corriente total a través del LDO de 5,5 V es de 3,1 mA, que es el consumo total. El resto pasa por un transistor que no se muestra en los diagramas.
@EMFields, el micro es de la familia MSP430 y tiene un FLL incorporado. El valor real será 31X, dando un poco más de 1MHz. EDITAR: El riel de 3V consume alrededor de 1 mA y el riel de 5V consume 2,1 mA. El riel de 3 V debe permanecer entre 2,7 V y 3,3 V en un rango de temperatura ambiente de -30 a 85 °C.
@PeterBennett, pensé en usar un regulador de conmutación, pero decidí no hacerlo, ya que la corriente es baja y me preocupaba que los transitorios de conmutación causaran problemas.

Respuestas (1)

B es mejor: no está inyectando ruido digital directamente en su suministro analógico de precisión.

Podría ser incluso mejor extraer el suministro de 3,3 V directamente del suministro de entrada. Por ejemplo, un solo BJT (seguidor de emisor) del regulador de 5,5 V le dará un poco menos de 5 V de salida, que su LDO de 3,3 V puede manejar fácilmente (suponiendo que no pueda manejar 40 V directamente). Eso también reducirá la disipación en el LDO de 5.5 V (¿realmente tiene que llamarlo tan cerca y realmente necesita un LDO en esta posición?).

No tiene que estar tan cerca del hueso; 6V probablemente sería más sensato, especialmente dado que la entrada máxima del suministro de 5V es de 15V. Tampoco tiene que ser un LDO. El IC '5.5V' es el LT3014BHV de Linear Technology. Una de las razones por las que lo estoy usando es porque puede sobrevivir a transitorios de 100 V durante 20 ms. El producto contará con protección contra rayos (de impactos en los cables de alimentación). Hay un TVS en la entrada que sujeta la entrada a 91 V (el voltaje de separación es de 43 V) cuando se somete a una forma de onda de 8/20 us (según EN 61000-4-5).
No me preocupa la disipación de energía debido a las bajas demandas de corriente, pero su idea parece una buena forma de mejorar el rendimiento. Si tengo algún problema con el ruido, lo intentaré. Gracias. EDITAR: El suministro de 3V definitivamente no puede manejar 40V, es el MCP1702 de Microchip. Tiene un costo muy bajo (~ £ 0.2) y una corriente de reposo baja (que es vital).
Sí, pensé que parecía un sistema alimentado por bucle de 4-20 mA, por lo que la caída en el 40R es de solo 800 mV. Por supuesto, la fuga de TVS es un error, pero no se puede hacer mucho al respecto. A veces, un MOSFET de modo de agotamiento de alto voltaje tiene sentido como dispositivo de paso principal.
La corriente de fuga de TVS es de 0,2 uA a 25 °C y de 1 uA a 85 °C, que es bastante pequeña en comparación con la precisión del sistema, por lo que no me preocupa demasiado.
El DAC que estoy usando es un IC integrado de 4-20 mA. Es el IC con la resistencia 40R (el voltaje que lo atraviesa es una de las entradas a un amplificador de tierra virtual, cuyo propósito es compensar la corriente de suministro cambiante, que de otro modo aparecería directamente en la señal de salida). La hoja de datos dice que se debe usar un BJT en lugar de un FET por 3 razones: 1) los FET tienen voltajes de umbral grandes, más allá del rango del pin conductor, 2) la capacitancia de carga más alta podría degradar la estabilidad, y 3) el pin conductor depende en la corriente base para la polarización.
Topología de suministro de 3 V y 5 V (diseño integrado, señal mixta)
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