Синхронный понижающий преобразователь. Ремонт электронной техники- опыт, разработки, советы. Определение характеристик "схема управления – выход"

Комбинированный DC/DC-преобразователь позволяет получить стабилизированное напряжение, когда входной уровень может быть как ниже, так и выше выходного. В статье описан процесс проектирования такого преобразователя на четырех MOSFET-транзисторах и контроллере производства компании Texas Instruments.

Имеющееся на сегодняшний день разнообразие DC/DC-преобразователей свидетельствует о важности преобразования широкодиапазонного входного напряжения в стабилизованное выходное напряжение . Эта задача особенно актуальна в том случае, если входное напряжение меняется непрерывно и может быть как выше, так и ниже выходного. Способ конвертирования в этом случае называют комбинированным преобразованием. Оно используется при зарядке аккумуляторов, в светодиодном освещении, в автомобильной электронике .

Рассмотрим аспекты создания и выбора схем комбинированных преобразователей, в частности – выбор компонентов, вычисление потери мощности. В завершение кратко расскажем о программном пакете , который позволяет упростить и ускорить процесс проектирования схемы преобразователя.

Работа синхронного комбинированного преобразователя

Комбинированный преобразователь позволяет обеспечить стабилизацию выходного напряжения при изменении входного напряжения в больших пределах. На рисунке 1 изображен синхронный (неинвертирующий) комбинированный преобразователь на четырех транзисторах.

Основное достоинство комбинированного преобразователя – возможность достижения максимального КПД в режимах понижающего или повышающего преобразования независимо от уровня входного напряжения и нагрузки. Данный преобразователь обеспечивает положительное выходное напряжение. В отличие от похожего, переключаемого (инвертирующего) понижающе-повышающего преобразователя, он имеет меньшие потери мощности и большую плотность мощности, распределенную в объеме, по сравнению с SEPIC (преобразователь с несимметрично нагруженной индуктивностью), обратноходовой и каскадной топологиями.

Четыре мощных MOSFET-транзистора, показанные на рисунке 1, расположены в виде понижающих и повышающих плеч полного моста. Переключающие узлы транзисторов SW1 и SW2 соединены через дроссель Lf. Синхронный процесс понижающего или повышающего преобразования происходит только тогда, когда входное напряжение находится либо выше, либо ниже выходного напряжения. Верхний MOSFET-транзистор противоположного невключенного плеча служит в качестве проходного транзистора. Важно отметить, что когда входное напряжение приближается к выходному – включенное понижающее или повышающее плечо достигает предполагаемого ограничения рабочего цикла, вызывая переход в комбинированный режим работы. Режим работы должен меняться плавно и автономно, без резкого изменения конфигурации управления.

Контроллер LM5175 , использует уникальный алгоритм переключения в комбинированном режиме, посредством чего понижающее и повышающее плечи переключаются на пониженной частоте квазичередующимся образом, что дает существенные преимущества в эффективности и уменьшении потерь. Метод управления преобразователем в режиме токового ограничения во всем диапазоне выходных напряжений, особенно в точке перехода из режима повышения в режим понижения (и наоборот), обеспечивает плавный переход. Требуется только, чтобы был установлен датчик тока, который позволил бы контролировать ток, протекающий через дроссель и транзисторы. Скорость нарастания тока в дросселе зависит от разности VIN и VOUT. Быстрое изменение разности VIN и VOUT приводит к апериодической переходной характеристике, что влечет за собой образование помех по питанию (PSR). Источником помех является выходной каскад преобразователя, в котором быстрые переключения транзисторов вызывают переходные процессы.

Схема комбинированного преобразователя в режиме ограничения тока

На рисунке 2 показана схема синхронного комбинированного преобразователя с четырьмя ключами. Схема состоит из силового каскада (четыре силовых транзистора), ШИM-контроллера, датчика тока. ШИM-контроллер может работать в режиме частотной модуляции, что позволяет расширить спектр SSFM и снизить уровень электромагнитных помех (EMI) . В кристалл котроллера внедрена защита от пониженного/повышенного напряжения питания (UVLO). В цепь обратной связи включены компенсационные цепочки.

Данное руководство предназначено для ускорения процесса разработки и служит для анализа и проектирования комбинированного преобразователя с четырьмя ключами. Рекомендуется последовательно переходить от спецификации преобразователя к выбору компонентов, затем – к обзору характеристик (эффективности, рассеиваемой на мощности, и графику Боде), после чего в случае необходимости выполнять повторное проектирование. Взяв ШИМ-контроллер LM5175 в качестве основы, рассмотрим поэтапное проектирование преобразователя, работающего на частоте 400 кГц, который обеспечивает выходное напряжение 12 В/6 А при входном напряжении 6…42 В.

Этап 1: Основные параметры

На рисунке 3 показан первый этап. На данном этапе разработчик должен ввести основные параметры преобразователя – диапазон входного напряжения, уровень выходного напряжения, ток нагрузки и частоту переключения.

Этап 2: Дроссель фильтра

На этом этапе производится расчет индуктивности дросселя Lа. Уровень индуктивности зависит от диапазона входного напряжения и необходимого уровня тока пульсации (пила). Формула (1) определяет уровень требуемой индуктивности в точках пульсации тока 30% и 80%.

(1)

Работу дросселя характеризуют три основных параметра: сопротивление на постоянном токе (DCR), ток насыщения (ISAT) и потери в сердечнике. Обычно дроссель изготавливается на сердечнике из cпрессованного железного порошка. Такой сердечник может работать на частотах до 400 кГц. Их преимущество состоит в постепенном снижении индуктивности по мере увеличения тока. Дроссели с ферритовым сердечником имеют более низкие потери, но их не рекомендуется применять, так как на максимальном токе в начале насыщения возможно резкое падение индуктивности.

Этап 3: Датчик тока

Датчик тока может быть построен на основе трансформатора тока, датчика Холла или обычного резистивного шунта. В данном случае описывается датчик тока на основе резистивного шунта. Уровень сопротивления датчика рассчитывается по параметрам порогового значения напряжения контроллера и максимального тока (пила) протекающего через дроссель. Формула (2), представленная для LM5175, определяет порог 80 мВ в точке минимума в повышающем режиме и 160 мВ в точке максимума в повышающем режиме. Мощность шунта достигает максимума при самом низком значении входного напряжения, когда коэффициент повышения достигает максимального значения. Использование резисторов типоразмеров 1225 и 2512 позволяет получить шунт минимальных габаритов.

(2)

Формула (3) позволяет рассчитать емкость конденсатора Cslope. Она определяет компенсацию наклона тока пилы. В режиме BUCK к скорости нарастания тока дросселя добавляется компенсационная составляющая, добавляя информацию об увеличении скорости нарастания. В режиме BOOST компенсационная составляющая изменяет информацию о скорости нарастания тока в сторону снижения.

(3)

Этапы 4 и 5: Расчет фильтра. Входной и выходной конденсаторы

На рисунке 4 представлены графики фазо-частотных характеристик преобразователя. Данные графики построены исходя из значений фильтрующих конденсаторов, причем во всех режимах работы DC/DC-преобразователя.

Использование керамических конденсаторов с типом диэлектриков X5R или X7R позволяет создавать устройства с высокой плотностью монтажа. В отдельных случаях при требуемой большой емкости возможно использование двух типов компонентов – параллельное соединение электрических и керамических конденсаторов. А в устройствах с высокой плотностью монтажа использование керамических конденсаторов с диэлектриками X5R и X7R позволяет уменьшить емкость электрического конденсатора и, следовательно, его размеры будут меньше. Формула (4) показывает приблизительную оценку емкостей с учетом напряжения пиковых пульсаций, но без учета последовательного сопротивления (ESR) компонента.

(4)

Зная уровень емкости и ESR, путем обратных вычислений получим соответствующие напряжения пиковых пульсаций:

(5)

В режиме BUCK среднеквадратичный ток через конденсатор (и напряжение пульсации) достигает максимального значения при 50%-ном рабочем цикле. В режиме BOOST наибольшее значение выходного среднеквадратичного тока, протекающего через конденсатор, наблюдается при максимальном рабочем цикле. Формулы для определения среднеквадратичных токов имеют следующий вид:

(6)

Этап 6:расчет Soft start, частоты генератора, уровня блокировки питания UVLO

Емкость плавного запуска (Soft start) определяется по следующей формуле:

Расчет задающей емкости для частоты генерации вычисляется с помощью формулы (8), где Gd - коэффициент проводимости, связанный с контроллером:

Расчет резистивного делителя, определяющего уровень защиты от пониженного напряжения питания, вычисляется по формуле (9), где VUV(ON) - уровень напряжения встроенного компаратора UVLO (1,23 В – On, 0,79 В – Off):

(9)

Этап 7: Расчет компенсационной цепи обратной связи

Устойчивость работы преобразователя определяется фазо-частотной характеристикой (BODE).

Частота, соответствующая нулю функции компенсации, определяется расчетом RC и CC1, обеспечивая повышение запаса по фазе. Полюс, обусловленный CC2, расположен около нуля функции выходного конденсатора (ESR) или половинной частоты переключения, если она ниже нуля. Этот полюс обеспечивает ослабление шума и уменьшение уровня выходных пульсаций. Значения элементов компенсации рассчитываются по формуле (10):

(10)

Для повышения полосы пропускания следует увеличить сопротивление резистора RC. При этом требуется скорректировать значение CC1, так как данный конденсатор влияет на уровень запаса по фазе. Без компенсации преобразователь имеет нуль функции на частоте, равной fRHPZ (0 Дб). Обычно запаса по фазе на данной частоте не хватает, что может привести к нестабильной работе преобразователя. Ситуация усложняется еще больше, так как данная частота входит в область работы преобразователя в режиме BOOST. Для улучшения работы преобразователя в данном режиме вносится дополнительная частотная компенсация. Для расчета компенсирующих цепочек вводится частота fcross. Значение fcross выбирается примерно на 50% ниже fRHPZ. Данная коррекция позволит получить дополнительный запас по фазе. Описанное соотношение выражается формулой (11):

(11)

В режиме токоограничения (BOOST) частота переключения транзисторов тоже может снизиться до частоты fcross, но уменьшение Ку и улучшение ФЧХ (ниже fcross) усилителя ошибки за счет компенсации позволяет снизить вероятность возбуждения преобразователя.

Этап 8: Оценка КПД

Этап 8, показанный на рисунке 5, представляет собой расчет КПД и рассеиваемой мощности на элементах схемы. Особое внимание уделим характеристикам MOSFET-транзисторов: внутреннему сопротивлению канала RDS(ON), заряду затвора, крутизне характеристики, пороговому напряжению «затвор-сток». Также рассмотрим параметры встроенного диода: прямое падение напряжения на диоде, время рассасывания зарядов.

В режиме BOOST уровень тока в дросселе выше, чем в режиме BUCK. Соответственно, MOSFET-транзисторы в повышающем плече должны иметь меньшее RDS(ON), чем транзисторы в понижающем плече.

С помощью формул (12) и (13) вычисляются статические и динамические потери и потери на заряд затвора:

(12)

(13)

Дополнительные потери вносит сердечник в дросселе, сопротивление обмотки дросселя на постоянном токе, «мертвое время» (время, когда все транзисторы находятся в состоянии “OFF”), измерительный шунт. Если учитывать потери в целом, то КПД комбинированного преобразователя с четырьмя транзисторами и стабилизированным выходным напряжением 12 В достигает 96%.

Заключение

Комбинированные преобразователи для промышленных и автомобильных приложений отвечают особым требованиям по мощности. Помимо этого, к достоинствам синхронного комбинированного преобразователя с четырьмя ключами можно отнести простоту эксплуатации, высокую производительность, компактный размер и низкую стоимость комплектующих. Программный калькулятор начального проектирования является удобным инструментом для ускоренного проектирования и расчета схемы преобразователя.

Литература

1. Wide VIN power converter solutions;
2. Automotive cold-crank waveforms, ISO 7637-2:2011;
3. LM5175 quick-start design tool;
4. LM5175 buck-boost controller;
5. LM5175EVM-HD 400 kHz high density buck-boost converter reference design.

]? Что снижение или колебания напряжения источников питания могут приводить к преждевременным отказам, и даже выгоранию деталей вашей системы? Несомненно, почти каждый согласится с тем, что источники питания для энергоемких приложений должны быть долговечными и эффективными. Но что насчет их топологии? Должна ли она быть синхронной или асинхронной? Посмотрим на преимущества и недостатки каждой.

Варианты питания вашего устройства

Каждой электронной системе нужен источник питания, и обычно напряжение источника питания выше, чем требуется приложению. Представьте, что у вас есть источник 9 В, и вам нужно понизить напряжение до необходимых вашей системе 5 В. В вашем распоряжении несколько вариантов:

1. Простой делитель напряжения с каким-либо элементарным регулятором, таким, как стабилитрон. Стабилитрон вместе с резистором, ограничивающим ток, понизят напряжение с 9 В до 5 В, при этом на резисторе упадет 4 В. В результате мы получим тепло и потери энергии.
2. 5-вольтовый линейный регулятор (LDO). Опять же, вы берете 9 В и получаете 5 В, а 4 В падает на регуляторе. Если схема потребляет 1 А, то на регуляторе рассеивается мощность 4 Вт. И опять вы можете сказать, что 4 Вт неиспользуемой мощности теряются в виде тепла.
3. DC/DC преобразователь. Здесь ключ, как правило, с ШИМ управлением, коммутирует подключенные к его выходу катушку индуктивности и конденсатор. Когда выходное напряжение достигает 5 В, коэффициент заполнения импульсов ШИМ падает почти до нуля. Ключ потребляет очень маленький ток, поэтому рассеиваемая мощность тоже мала. Это, безусловно, самый эффективный вариант.

Входные напряжения DC/DC преобразователя могут быть любыми из стандартного ряда 6, 9, 12, 24 или 48 В. Силовой трансформатор понижает 120 В переменного тока до стандартного уровня напряжения. Затем после выпрямления и фильтрации постоянное напряжение стабилизируется для коммерческого или промышленного использования. Например, установленные для систем телефонии 48 В, определяются напряжением батарей резервного питания. Если напряжение в сети переменного тока упадет, сразу же подключится резервная система. Совсем другая история - портативное оборудование. Эти устройства обычно работают от батарей, которые сразу дают постоянное напряжение, но им требуется стабилизированное напряжение. Поскольку напряжение батареи со временем уменьшается, его надо повышать, а уже потом стабилизировать. Так что, если ваша система работает от 3.3 В, вы должны поддерживать эти 3.3 В, даже когда напряжение батареи упадает.

При разработке источника питания вы можете выбрать, «как вам представляется», дешевое решение, вроде упомянутого выше простого делителя напряжения и стабилитрона. Заметим, что мы сказали «как представляется», дешевое, так как не принимали во внимание ничего, кроме перечня комплектующих изделий. Эти подходы содержат скрытые и дополнительные затраты на потери мощности, приводящие к большому тепловыделению и сокращению срока службы электронных компонентов системы. Заметим, что LDO регуляторы имеют очень низкие выходные шумы, но имеют такие недостатки, как высокая рассеиваемая мощность, большое падение напряжения и меньшее время работы от батарей.

В наши дни разработчики переключились на DC/DC преобразователи, чтобы получать оптимальное сочетание эффективности, тепловыделения, точности, реакции на переходные процессы и стоимости. Но путь проектирования оптимальной DC/DC системы питания может быть таким же сложным, как ориентирование на минном поле без карты. Рабочая температура преобразователей ограничивает их максимальную выходную мощность, и повышается с уменьшением размеров промышленного оборудования. Кроме того, большинство устройств, как правило, имеет очень слабое принудительное охлаждение или вообще его не имеет. Так какой же вариант схемы DC/DC лучше?

Варианты схем DC/DC: синхронная или асинхронная топология

Это два компромиссных варианта. Асинхронная топология старше, и отличается потерями мощности на внешнем диоде Шоттки. Эти потери равнозначны ухудшению КПД. Здесь мы рекомендуем синхронную топологию, поскольку она обеспечивает более высокий КПД и позволяет создавать более компактные конструкции за счет встроенного эффективного MOSFET. Это фундаментальное различие иллюстрируется Рисунком 1, где сравниваются структурные схемы асинхронного преобразователя и более интегрированного синхронного решения.

Обсудим энергетический КПД. В последние годы поставщики аналоговых ИС начали выпускать синхронные DC/DC преобразователи, чтобы уменьшить потери мощности, возникающие в асинхронных схемах с их внешними диодами Шоттки. Теперь синхронный преобразователь содержит силовой MOSFET нижнего плеча, заменяющий внешний диод Шоттки с большими потерями. Рассеиваемая этим MOSFET мощность зависит от сопротивления открытого канала R ON , в то время как потери мощности на диоде Шоттки определяются его прямым напряжением V D . При одинаковой величине тока в обеих схемах падение напряжения на MOSFET обычно меньше, чем на диоде, в результате чего в схеме с MOSFET рассеиваемая мощность ниже.

Рассеиваемая на диоде мощность для асинхронного решения вычисляется по формуле:

Мощность P FET , рассеиваемая на MOSFET в синхронной схеме равна:

Тем не менее, существуют мнения, что асинхронные понижающие преобразователи имеют более высокий КПД при малых нагрузках и больших коэффициентах заполнения , и что не существует единственного преобразователя, который имел бы оптимальный КПД во всем диапазоне нагрузок. Разработчики систем питания опять вынуждены выбирать меньшее из двух зол?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, чем, в первую очередь, обусловлена высокая эффективность асинхронного преобразователя при легких нагрузках. Ток катушки индуктивности в асинхронном преобразователе течет только в одну сторону и никогда не бывает отрицательным; в синхронных преобразователях ток протекает в обе стороны, и в этом заключается его недостаток (Рисунок 2).

Чтобы исключить это двунаправленное протекание тока в синхронных преобразователях, вводят различные режимы для получения «псевдо-асинхронной» работы при легкой нагрузке. Современные DC/DC преобразователи поддерживают три режима (Рисунок 3):

1. PWM @ CCM: широтно-импульсная модуляция (pulse width modulation - PWM) в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode - CCM). Здесь преобразователь работает на постоянной частоте, а ток дросселя I L может становиться отрицательным. Этот режим позволяет преобразователю, сохраняя минимальный уровень пульсаций выходного напряжения, быстро отзываться на любые изменения нагрузки, даже при ее уменьшении до нуля. Однако режим PWM @ CCM дает наименьший КПД при малых нагрузках.
2. PWM @ DCM: широтно-импульсная модуляция в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode - DCM). Этот подход также основан на постоянной частоте переключения, но КПД при малых нагрузках улучшается благодаря исключению протекания тока I L в отрицательном направлении. Отсутствие отрицательных токов при малых нагрузках придает такому решению сходство с асинхронным.
3. PFM с состоянием сна: частотно-импульсная модуляция (pulse frequency modulation - PFM) со спящим режимом. Этот подход повышает КПД за счет исключения протекания тока I L в отрицательном направлении, а также отключения обоих МОП транзисторов для пропуска импульсов при малых нагрузках. Во время пропуска импульсов преобразователь переходит в спящий режим, когда все неиспользуемые внутренние схемы отключаются для снижения потребляемого тока. Режим позволяет получить наилучший возможный КПД благодаря наибольшей эффективности при малых нагрузках. Платой за это является небольшое увеличение пульсаций выходного напряжения.

В диапазоне токов нагрузки от среднего до максимального все режимы работают одинаково. Различия начинают проявляться тогда, когда ток нагрузки становится меньше половины размаха тока дросселя.

Вы предполагаете, что основную часть времени ваша система будет находиться в режиме ожидания (то есть, работать с малой нагрузкой), а срок службы батареи имеет критическое значение? Тогда выбирайте режим частотно-импульсной модуляции, так как при малой нагрузке он дает возможность получить наивысший КПД. Здесь, правда, есть одна тонкость: необходимо убедиться, что увеличение выходных пульсаций и замедление переходных процессов при PFM не повлияют на работу системы в ждущем режиме.

Первостепенное значение для вашего приложения имеет переходная характеристика при легкой нагрузке? Тогда лучшим выбором будет PWM @ CCM, поскольку он обеспечивает наилучшие характеристики переходного режима, даже при нулевой нагрузке.

Разумным компромиссом между этими двумя режимами является режим PWM @ DCM.

Заключительные мысли

Технологии двигаются вперед. Замена внешнего диода Шоттки встроенным эффективным MOSFET, в сочетании с многорежимной работой, обеспечивают в современных синхронных решениях превосходный КПД при минимальных размерах устройств. Настало время принять новую синхронную технологию для повышения эффективности использования мощности в ваших следующих проектах. Это проще, круче и лучше.

Выбор DC/DC-преобразователя для приложения может оказаться устрашающей задачей. Кроме того, что они доступны на рынке в большом количестве, проектировщик должен ещё и пойти на несметное число компромиссов. Обычно для источника питания важны размер, КПД, цена, температура, точность и переходные характеристики. Необходимость удовлетворять техническим требованиям ENERGY STAR® или критериям «green-mode» делает КПД по энергии всё более важным параметром. Разработчики стремятся повысить КПД без увеличения стоимости, особенно в приложениях крупномасштабной бытовой электроники, для которых уменьшение потребления энергии на 1 Вт может сэкономить МВт для энергетической системы. Полупроводниковая промышленность недавно выпустила недорогие DC/DC-преобразователи с синхронным выпрямлением, которые считаются более эффективными, чем асинхронные DC/DC-преобразователи. В данной статье сравниваются КПД, размер и стоимость синхронных и асинхронных преобразователей, используемых в бытовой электронике, при различных условиях работы. Показано, что синхронные понижающие преобразователи не всегда более эффективны.

Типичные применения

Чтобы показать тонкие различия между двумя типами преобразователей, было выбрано типичное применение для точечной нагрузки. Множество недорогих бытовых изделий используют 12-В шину, которая получает питание от нерегулируемого сетевого адаптера или от автономного источника питания. Выходные напряжения обычно лежат в диапазоне 1-3,3 В, выходные токи - до 3 А. Для сравнения действительных значений КПД при различных выходных токах и напряжениях были выбраны устройства Texas Instruments, приведённые в таблице 1. Номинальный выходной ток, уровень которого является характеристикой любого устройства, продаваемого на рынке, был взят прямо из листов технических данных (1, 2).

Таблица 1. Сравнение устройств

Принцип работы

На рисунке 1 показана типичная блок-схема для понижающего регулятора. Основные компоненты - это Q1, силовой МОП-транзистор верхнего плеча; L1, силовая катушка индуктивности, и C1, выходной конденсатор. Для синхронной понижающей схемы используется МОП-транзистор нижнего плеча (Q2).

В асинхронной понижающей схеме используется силовой диод (D1). В синхронном преобразователе, таком как TPS54325, в устройство встроен силовой МОП-транзистор нижнего плеча. Основным преимуществом синхронного выпрямителя является то, что падение напряжения на МОП-транзисторе нижнего плеча может быть ниже, чем падение напряжения на силовом диоде асинхронного преобразователя. При одинаковом уровне тока меньшее падение напряжения превращается в меньшее рассеяние мощности и больший КПД.

Выбор силового диода

Асинхронные преобразователи разработаны для работы с внешним силовым диодом (D1). При выборе силового диода разработчик должен учесть три ключевые характеристики: обратное напряжение, падение прямого напряжения и прямой ток. Во-первых, номинальное обратное напряжение должно быть, по крайней мере, на 2 В выше, чем максимальное напряжение в коммутационном узле. Во-вторых, для большего КПД падение прямого напряжения должно быть небольшим. В-третьих, номинальное значение пикового тока должно быть больше, чем максимальный выходной ток плюс половина пикового тока катушки индуктивности. При низкой продолжительности включения (то есть низких выходных напряжениях) D1 работает как блокирующий диод, который проводит больший ток, чем МОП-транзистор верхнего уровня. Четвёртое соображение состоит в том, чтобы убедиться, что корпус выбранного диода справится с рассеянием мощности. Для TPS54331 был выбран диод B340A, который имеет номинальное обратное напряжение 40 В, падение прямого напряжения 0,5 В, и номинальный прямой ток 3 А.

Для TPS54325 силовой диод не нужен, так как в микросхему встроен 70-мОм МОП-транзистор нижнего плеча. Интегрированный МОП-транзистор экономит место; но при этом увеличивается сложность управляющей схемы, чтобы гарантировать, что оба МОП-транзистора не будут открыты одновременно, что привело бы к закорачиванию входа на землю. Любая перекрывающаяся проводимость ключей приведёт к понижению КПД и может даже перегрузить и повредить систему.

Вычисления КПД

Для определения КПД DC/DC-преобразователя нужно рассчитать общее рассеивание мощности. Основной вклад в рассеивание мощности для DC/DC-преобразователя, работающего в режиме непрерывной проводимости (continious conduction mode, ССМ), дают потери на ключах верхнего и нижнего плечей и потери на собственный потребляемый ток ИС. Эти потери можно рассчитать по следующим формулам:

Уравнения 1-3 применимы как к синхронному,так и к асинхронному преобразователю в ССМ. Однако нужно учесть потери в МОП-транзисторе нижнего уровня для синхронного понижающего преобразователя (уравнение 4), в силовом диоде нижнего уровня (PD1) для асинхронного понижающего преобразователя (уравнение 5):

В уравнении 4 первый член соответствует потерям проводимости в МОП-транзисторе нижнего уровня, а второй - потерям проводимости во встроенном диоде. Ток, текущий через встроенный диод, примерно на порядок ниже по величине, чем ток, текущий через МОП-транзистор нижнего уровня, и при 2 А им можно пренебречь.

Данные уравнения показывают, что на КПД при полной нагрузке влияют несколько факторов, такие как сопротивление между стоком и истоком, прямое напряжение между стоком и истоком, продолжительность включения, частота и времена МОП-транзистора. Потери переменного и постоянного тока в катушке индуктивности и эквивалентном последовательном сопротивлении выходной ёмкости аналогичны, так как для обоих устройств можно использовать одинаковый LC-фильтр. Для DC/DC-преобразователя продолжительность включения задана, и выбирать можно только сопротивление между стоком и истоком, падение прямого напряжения и частоту переключения. Обычно времена включения и выключения МОП-транзистора не указываются в листах технических данных, но их важно учитывать, так как чем они быстрее, тем меньше мощности рассеивается. Однако при слишком быстром включении мощного МОП-транзистора в коммутационном узле могут возникать переходные помехи.

Для улучшения тепловых характеристик важно уменьшать время коммутации, что позволит выбрать более дешёвый корпус для МОП-транзистора с меньшей мощностью и более высоким сопротивлением между стоком и истоком.

КПД при высоких нагрузках

Были созданы две схемы с устройствами, приведёнными в таблице 2, так, чтобы их эффективности можно было сравнить. Устройства используют одинаковый LC-фильтр. Несмотря на то, что устройства имели несколько различные фиксированные частоты переключения, это не имело значительного влияния на КПД схемы и не могло изменить выводов данного эксперимента. Входное напряжение было выбрано 12 В и измерения КПД проводились просто при изменении выходных напряжений.

Таблица 1. Сравнение устройств

На рисунке 2 показан КПД обоих устройств с 12-В входом и 1,5-В выходом. Рисунок чётко показывает, что TPS54325 при полной нагрузке имеет более высокий КПД. Так как продолжительность включённого состояния составляла 12,5%, силовой диод асинхронного варианта с падением прямого напряжения 0,5 В рассеивал больше энергии, чем 70-мОм МОП-транзистор, а также несмотря на более высокое сопротивление между истоком и стоком ключа верхнего плеча в схеме с TPS54325.

На рисунке 3 показан КПД обоих устройств с 12-В входом и 2,5-В выходом. Очевидно, что КПД TPS54331 значительно вырос.

В этом случае продолжительность включённого состояния была 21% и оба КПД при полной нагрузке были практически одинаковыми. Силовой диод асинхронной схемы проводил реже, а МОП-транзистор верхнего плеча с низким сопротивлением включения проводил чаще. Когда рассеивание на силовом диоде нижнего плеча уменьшилось из-за уменьшения скважности, асинхронное устройство стало более эффективным.

КПД при малых нагрузках

Для некоторых приложений необходимость в КПД при малой нагрузке перевешивает необходимость в КПД при высокой нагрузке. При низких нагрузках асинхронные понижающие преобразователи переключаются в режим прерывистой проводимости (РПП). В асинхронном понижающем преобразователе ток катушки индуктивности течёт только в одном направлении. В синхронном понижающем преобразователе ток течёт в обоих направлениях, и мощность рассеивается при протекании обратного тока. На рисунке 4 показана разница между формами сигналов тока катушки индуктивности в РНП по сравнению с РПП.

TPS54331 имеет функцию пропуска импульсов, называемую Eco-modeTM, которая повышает КПД при низкой нагрузке. Данный режим работы включает мощный МОП-транзистор реже, что приводит к понижению потерь на переключение. Разница в КПД при низкой нагрузке, обусловленная функцией Eco-mode TPS54331, и его низким собственным потребляемым током при работе, показана на рисунках 2 и 3. Более подробную информацию об Eco-mode можно найти в (1).

Цена и размеры

Синхронный преобразователь со встроенным МОП-транзистором обладает такими преимуществами, как уменьшенный размер, меньшее число деталей и более простая конструкция. Но если главной целью является уменьшение цены, то асинхронный преобразователь с внешним силовым диодом может быть менее дорогим, чем синхронный понижающий преобразователь.

Заключение

Синхронные понижающие преобразователи недавно стали очень популярными и широко доступными. Однако они не всегда более эффективны. Асинхронные понижающие преобразователи могут иметь аналогичный КПД при большой скважности и низкой нагрузке. Обратив внимание на технические характеристики, особенно сопротивление между стоком и истоком и собственный потребляемый ток, разработчик может сделать лучший выбор для конкретного применения.

Литература

4.5-V to 18-V, 3-A Output Synchronous Step Down Switcher with Integrated FET (SWIFT™), TPS54325 Data Sheet (slvs932a)

3A, 28V Input, Step Down SWIFT™ DC/DC Converter with Eco-mode™, «TPS54331 Data Sheet (slvs839b)

Ken Marasco, Analog Devices

В смартфонах, планшетных компьютерах, цифровых камерах, навигационных системах, медицинском оборудовании и множестве других портативных устройств с автономным питанием часто содержатся микросхемы, изготовленные по разным технологиям. Для работы таких устройств, как правило, требуется несколько независимых источников питания, причем напряжение каждого отличается от напряжения аккумулятора или внешнего сетевого адаптера.

На Рисунке 1 изображена типичная маломощная система, питающаяся от Li-Ion батареи. Диапазон напряжений батареи равен 3…4.2 В, в то время, как для микросхем требуются 0.8 В, 1.8 В, 2.5 В и 2.8 В. Проще всего получить необходимые напряжения с помощью LDO стабилизаторов. Но, к сожалению, вся мощность, не используемая в нагрузке, будет рассеиваться в форме тепла, делая LDO стабилизаторы неэффективными, когда V IN существенно превышает V OUT . Широко распространенная, и единственная, в случае нашего примера, альтернатива, существенно сокращающая потери - импульсный преобразователь, накапливающий энергию в магнитном поле индуктивности и отдающий ее в нагрузку при другом напряжении. Рассматриваемые в этой статье понижающие преобразователи («buck» или «step-down») позволяют получить на выходе напряжение меньшее, чем на входе. У повышающих преобразователей («boost» или «step-up»), которые мы будем рассматривать в следующей статье, наоборот, выходное напряжение больше входного. Импульсные преобразователи с внутренним ключевым МОП транзистором, называются импульсными стабилизаторами (switching regulators), в то время как преобразователи, для которых требуются внешние силовые транзисторы, называются импульсными контроллерами (switching controllers). В большинстве маломощных систем используют как LDO, так и импульсные преобразователи, и только при разумном сочетании обоих могут быть получены требуемые технические и ценовые характеристики устройства.

Рисунок 1.

Как видно из Рисунка 2, понижающий преобразователь состоит из двух ключей, двух конденсаторов и индуктивности. Драйвер ключей должен формировать неперекрывающиеся последовательности управляющих импульсов, гарантируя, что в каждый момент времени будет замкнут только один ключ, и в схеме не будет сквозных токов. В Фазе 1 ключ B открыт, а ключ A закрыт. Катушка индуктивности подключена к входному напряжению V IN , и ток через нее течет от V IN в нагрузку. В Фазе 2 открыт ключ A, и закрыт B. Индуктивность подключена к «земле», и ток, спадая, переносит запасенную в катушке энергию в нагрузку.

Импульсные стабилизаторы могут работать в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode - CCM), в котором ток индуктивности никогда не спадает до нуля, и в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode - DCM), когда ток катушки индуктивности некоторое время может отсутствовать. В маломощных понижающих преобразователях прерывистый режим используется очень редко. Преобразователи обычно конструируют таким образом, чтобы пульсации тока (current ripple), обозначенные на Рисунке 2 как ΔI L , составляли 20 … 50% от номинального тока нагрузки.

В понижающем синхронном преобразователе, изображенном на Рисунке 3, функцию ключей A и B выполняют p- и n-канальный МОП транзисторы, соответственно. Термин «синхронный» (synchronous) указывает на то, что в качестве нижнего ключа используется МОП транзистор. Преобразователи с диодом Шоттки на месте нижнего ключа называются асинхронными, или несинхронными. В маломощных приложениях лучшую эффективность демонстрируют синхронные преобразователи вследствие меньшего падения напряжения на МОП транзисторе, по сравнению с диодом Шоттки. Однако КПД синхронного преобразователя при малой нагрузке может оказаться недопустимо низким, если нижний МОП транзистор не будет выключаться на то время, пока ток индуктивности равен нулю. Устранение этой проблемы требует дополнительных схемных решений, приводящих к усложнению микросхемы и увеличению ее цены.

В современных маломощных синхронных понижающих преобразователях основным рабочим режимом является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом режиме частота переключения постоянна, а ширина импульсов (t ON) изменяется в соответствии с требуемым выходным напряжением. Поставляемая в нагрузку средняя мощность пропорциональна коэффициенту заполнения D, что делает ШИМ эффективным средством контроля выходной мощности.

МОП ключи управляются контроллером ШИМ, для стабилизации выхода использующим обратную связь либо по току, либо по напряжению. Маломощные понижающие конвертеры обычно работают на частотах от 1 до 6 МГц. Более высокие частоты позволяют применять индуктивности меньших размеров, но расплатой за это становится снижение КПД, который падает на 2% при каждом удвоении рабочей частоты.

При малых токах нагрузки ШИМ не всегда является самым эффективным решением. Рассмотрим, к примеру, схему управления питанием видеокарты. При смене сюжетов изменяется ток нагрузки понижающего преобразователя, управляющего графическим процессором. ШИМ в режиме непрерывной проводимости способна стабилизировать питание в очень широком диапазоне выходных токов, но, по мере снижения нагрузки, КПД преобразователя стремительно падает вследствие возрастания относительной доли тока, потребляемого самим преобразователем. Поэтому в понижающих преобразователях, предназначенных для портативных приложений, используются дополнительные методы снижения мощности, такие как частотно-импульсная модуляция, или ЧИМ (pulse-frequency modulation - PFM), пропуск импульсов (pulse skipping) или же комбинация обоих методов.

При входе в экономичный режим (power-save mode - PSM) в понижающих преобразователях Analog Devices происходит следующее. К порогу ШИМ добавляется смещение, в результате которого выходное напряжение начинает подниматься и достигает величины, приблизительно на 1.5% превышающей номинальный уровень стабилизации ШИМ. В этот момент ШИМ выключается, оба ключа закрываются, и микросхема переходит в режим ожидания (idle mode). Выходной конденсатор C OUT начинает разряжаться до тех пор, пока V OUT не упадет до уровня, при котором восстанавливается стабилизация ШИМ. Подключается индуктивность, и V OUT вновь начинает расти. Этот процесс повторяется до тех пор, пока ток нагрузки не превысит установленный порог.

ADP2138 - компактный понижающий DC/DC преобразователь с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц. Типичная схема его включения показана на Рисунке 4. Рисунок 5 иллюстрирует благоприятное влияние на КПД автоматического переключения ШИМ/PSM. В некоторых случаях переменная частота переключения в режиме PSM затрудняет фильтрацию помех, поэтому многие понижающие преобразователи имеют вывод MODE (см. Рисунок 4), позволяющий пользователю принудительно включать режим ШИМ, или разрешать преобразователю переключаться между ШИМ и PSM автоматически. В отдельных микросхемах вывод MODE может предназначаться для динамического перехода в режим пониженного энергопотребления.

Понижающие преобразователи улучшают КПД

Повышенный КПД продлевает время работы до смены или перезаряда батарей, что для новых портативных устройств можно считать одной из важнейших характеристик. Например, при использовании LDO стабилизатора ADP125 (Рисунок 6) Li-Ion аккумулятор способен отдавать в нагрузку ток 500 мА при напряжении 0.8 В. При этом КПД стабилизатора, равный

V OUT /V IN × 100% = 0.8/4.2 × 100%,

составляет лишь 19%. Вся неиспользуемая энергия, 81% (1.7 Вт), рассеивается корпусом в виде тепла, которое может стать причиной быстрого перегрева портативного устройства. Импульсный преобразователь ADP2138, рабочий КПД которого при входном напряжении 4.2 В и выходном 0.8 В равен 82%, позволяет повысить эффективность более чем в 4 раза и сократить выделение тепла. Вот почему в последние годы наблюдается бум разработки новых импульсных преобразователей для портативной аппаратуры.

Ключевые понятия, относящиеся к понижающим преобразователям

Диапазон входных напряжений (Input Voltage Range) : Диапазон входных напряжений понижающего преобразователя определяет наименьшее допустимое напряжение источника питания. В справочниках этот параметр может быть представлен весьма широким диапазоном, но для эффективной работы схемы V IN всегда должно превышать V OUT . Например, чтобы получить стабилизированное выходное напряжение 3.3.В, входное напряжение должно превышать 3.8 В.

Собственный ток потребления, или ток общего вывода (Ground or Quiescent Current) : Обозначаемый обычно буквами I Q постоянный ток, не идущий в нагрузку. Чем меньше I Q , тем выше КПД устройства. В спецификациях на микросхемы I Q может приводиться для самых разнообразных условий, включая блокировку микросхемы, режим облегченной нагрузки, режим ЧИМ или ШИМ. Поэтому лучше всего, если выбор понижающего преобразователя, наиболее подходящего для создаваемого приложения, будет основываться на фактических данных о КПД устройства при конкретных рабочих токах и напряжениях нагрузки.

Ток в режиме отключения (Shutdown Current) : Входной ток, потребляемый преобразователем, отключенным по выводу разрешения. Как правило, для маломощных понижающих преобразователей этот ток значительно меньше 1 мкА. Этот параметр очень важен для портативных устройств с батарейным питанием, в которых предусмотрен спящий режим.

Точность стабилизации выходного напряжения (Output Voltage Accuracy) : Понижающие преобразователи Analog Devices имеют высокую точность стабилизации. Так, благодаря заводской подстройке, погрешность устройств с фиксированным выходом при температуре 25 °C не превышает ±2%. Точность стабилизации приводится в спецификациях для различных значений температуры, входного напряжения и тока нагрузки, и для наихудшего случая выражается в процентах.

Нестабильность по входному напряжению (Line Regulation) : Характеризует степень влияния изменения входного напряжения на выходное при номинальной нагрузке.

Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки (Load Regulation) : Этот параметр является мерой влияния изменений тока нагрузки на выходное напряжение. При медленном изменении нагрузки большинство понижающих преобразователей могут стабилизировать напряжение с очень высокой точностью.

Переходный режим при изменениях нагрузки (Load Transients) : Ошибки переходного режима могут возникать при быстрых скачках тока нагрузки, вызывающих переключение режимов от ШИМ к ЧИМ, и наоборот. Параметры переходного режима не всегда приводятся в документации, но в большинстве описаний можно найти осциллограммы, иллюстрирующие реакцию на скачки нагрузки при различных рабочих условиях.

Ограничение тока (Current Limit) : В понижающие преобразователи, подобные ADP2138, встроены защитные схемы, ограничивающие величину положительного тока, протекающего через p-МОП транзистор силового ключа и синхронный выпрямитель. Фактически, это означает ограничение тока, текущего от входа к выходу. Ограничитель отрицательного тока предотвращает появление в индуктивности тока обратного направления, вытекающего из нагрузки.

Мягкий старт (Soft Start) : Это важная для понижающих преобразователей функция, заключающаяся в управлении скоростью нарастания выходного напряжения в целях ограничения бросков тока. Мягкий старт позволяет не допускать проседания напряжения подключенных к входу преобразователя батарей или высокоимпедансных источников питания. Внутренний цикл мягкого старта начинается после включения устройства по входу разрешения ENABLE (EN).

Время включения (Start-Up Time) : Время между нарастающим фронтом сигнала разрешения и моментом достижения выходным напряжением V OUT 90% номинального уровня. Проверка этого параметра обычно выполняется при установившемся V IN при переходе вывода разрешения из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ. В тех случаях, когда выводы EN и V IN соединены, время включения может существенно увеличиться, так как петле обратной связи требуется время для отработки ошибки. Время выключения понижающего преобразователя - важный параметр для приложений, в которых преобразователь часто включается и выключается, т.е., прежде всего, для портативных устройств.

Отключение при перегреве (Thermal ShutDown - TSD) : Если температура перехода превышает установленный порог, защитная схема выключает преобразователь. Причиной перегрева кристалла может быть большой ток нагрузки, плохое охлаждение схемы или высокая окружающая температура. Схема защиты обязательно должна иметь гистерезис, чтобы не допускать включения преобразователя до возвращения температуры кристалла к установленному рабочему уровню.

Режим со 100% коэффициентом заполнения (100% Duty Cycle Operation) : При провалах V IN , или при увеличении I LOAD понижающий стабилизатор может оказаться у порога, когда p-МОП транзистор должен быть открыт 100% времени, и V OUT начнет падать ниже требуемого уровня. ADP2138 плавно переводит схему в этот режим, а при изменении состояния входа немедленно перезапускается в режиме ШИМ, не допуская выбросов выходного напряжения.

Разрядный ключ (Discharge Switch) : В некоторых устройствах при очень малой нагрузке напряжение на выходе преобразователя может сохраняться в течение некоторого времени после перевода системы в спящей режим. Если процесс последующего включения начнется до завершения разряда выходного напряжения, возможны блокировка или повреждение системы. В преобразователе ADP2139 имеется встроенный резистор сопротивлением порядка 100 Ом, через который происходит разряд выхода после подачи низкого уровня на вход EN, или при защитном отключении микросхемы.

Блокировка питания при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout - UVLO) : Эта функция гарантирует, что напряжение на нагрузку не будет подано раньше, чем входное напряжение преобразователя достигнет заданного порога. Важное значение блокировки заключается в возможности исключить подачу питания до установления рабочего уровня входного напряжения.

Приложение

Синхронные понижающие DC/DC преобразователи с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц

Понижающие DC/DC преобразователи ADP2138 и ADP2139 оптимизированы для использования в беспроводных телефонах, персональных медиа плеерах, цифровых камерах и других портативных устройствах. Микросхемы могут работать в режиме принудительной ШИМ, в котором пульсации выходного напряжения минимальны, или же автоматически переключаться между ШИМ и PSM для увеличения КПД при облегченной нагрузке. Диапазоном входных напряжений от 2.3 до 5.5. В определяется способность преобразователей работать от стандартных источников питания, включая литиевые, щелочные и NiMH батареи. Выпускаются многочисленные опции с фиксированным выходным напряжением от 0.8 до 3.3 В, током нагрузки 800 мА и точностью 2%. Внутренний силовой ключ и синхронный выпрямитель улучшают эффективность преобразователя и сокращают количество необходимых внешних компонентов. Изображенная на Рисунке А микросхема ADP2139 отличается наличием дополнительного разрядного ключа. Микросхемы выпускаются в компактном 6-выводном корпусе WLCSP размером 1 × 1.5 мм, работают в диапазоне температур от -40 до +125 °C, и в партиях 1000 шт. продаются по $0.90 за один прибор.

Вот и дошли у меня руки до необычного преобразователя по технологии SEPIC (как мне казалось сначала).
Необычен он как минимум тем, что в нем использован только один дроссель, при этом в обычном используется всегда два (или двойной).

Один из пользователей муськи, в комментариях к моим обзорам SEPICов, часто спрашивал, а почему не Линеар?
Вот теперь будет Линеар, а точнее преобразователь, где в качестве управляющего ШИМ контроллера применена LTC3780 производства фирмы Linear Technology.

Микросхемы фирмы Linear Technology обычно отличаются двумя вещами, высоким качеством работы и высокой ценой. Но правда есть небольшой плюс, эта фирма бесплатно высылает семплы свой продукции, вот только не всегда и не всем, но попробовать стоит.

Этот преобразователь заинтересовал меня сразу, как только я его увидел. Заказал я его без особой практической цели, просто чтобы изучить самому и показать другим, что он из себя представляет.
В процессе обзора я немного расскажу об особенностях данного типа преобразователя и платы в целом.

Для начала доставка. Магазин приятно обрадовал, упаковав его так, будто он стеклянный, замотали от души:)

Но начну свой рассказ я немного не с преобразователя. Вместе с преобразователем я заказал такие вот клеммники. Изначально у меня была одна идея куда их применить, но идея ушла, а клеммники остались.
Ну а в связи с тем, что мне их тоже прислали для обзора, то расскажу и о них, хотя в процессе написания обзора у меня пришла идея куда их применить.
Клеммы - в магазине, цена $2.29.

Клеммник пружинный, кроме самого клеммника в комплекте дали две пластмассовые шайбы, лепесток, шайбу Гровера и гайку.

Клеммники имеют стандартную резьбу М4, а также идут комплектом, красный + черный.
Пластмассовая шайба выполнена так, что клеммник можно устанавливать на металлические поверхности, не боясь замыкания клеммника на корпус. Шайба довольно толстая, что есть плюс.
Все части (ну кроме пластмассовых шайб) имеют покрытие под золото. Не думаю что золото даже рядом лежало, но выглядит красиво.

На вес довольно тяжелые, но при этом правый хвост длиннее черный комплект тяжелее.
Общая длина 40мм, диаметр 12.5мм, длина резьбовой части 16мм

Пружина довольно тугая, зажимают просто отлично.
Изначально я хотел применить эти клеммники для блока питания, но потом передумал, так как считаю что неправильно ставить не изолированные клеммники в источник.
Сейчас думаю применить их в электронной нагрузке (вполне возможно что в будущей), рассчитанной под большие токи.

Про разъемы рассказал, теперь можно спокойно перейти к плате преобразователя.
Платка внешне не очень большая, хотя и больше чем плата преобразователя из обзора.
Размеры платы следующие - длина 77мм, ширина 46мм, высота (полная) 13мм.
По высоте плату можно уменьшить на 1.5-2мм уменьшив высоту пайки контактов разъемов и дросселя.

Заявленные характеристики:
Входное напряжение: DC5-32V
Выходное напряжение: DC1V-30V регулируемое
Выходной ток: Длительно 8A, 10A пиковое значение
Выходная мощность: длительно 80W, пиковое значение 130W, если мощность более 80W требуется дополнительное охлаждение
Выходные пульсации: 50mV
Диапазон рабочих температур: -45 ~ + 85 ℃

Качество сборки платы немного расстраивает, разъемы запаяны кривовато, какие то разводы, следы флюса. На работоспособность это особо не влияет, скорее некрасиво.
Слева расположен разъем подключения входа питания.
Чуть правее находится светодиод аварии, а точнее снижения входного напряжения ниже нормы.
В центре платы находятся три подстроечных резистора. Я реально призадумался, когда пытался понять, зачем их три. Оказалось все просто.
Первый подстроечный резистор - регулировка порога отключения платы при снижении входного напряжения. Это может быть применено как защитная мера, чтобы запретить работу преобразователя при низком входном напряжении, так как чем ниже входное напряжение, тем тяжелее ему работать. Хотя в интеренете пишут, что это может быть полезно при работе с солнечными батареями.
Второй подстроечный резистор - регулировка порога ограничения максимального выходного тока, при достижении этого порога преобразователь переходит в режим СС.
Третий подстроечный резистор - регулировка выходного напряжения.
Чуть правее стоит светодиод OUT, индикация того, что на выход подано напряжение.
Ну и справа еще есть клеммник для подключения нагрузки.

Это фото я приложил по двум причинам. Изначально я его нашел в процессе поиска назначения неизвестного подстроечного резистора. Но на нашлась еще полезная информация, в процессе обзора я ее буду упоминать.
На фото обозначено назначение подстроечных резисторов, но кроме этого на фото видна вторая (а точнее первая) версия этой платы.
На странице магазина данная информация также имеется, но менее понятна, расскажу.
Преобразователь существует в двух вариантах:
1. С радиатором снизу, при этом дроссель намотан проводом красного цвета
2. С радиаторами сверху, обмотка дросселя имеет желтый цвет.
Магазин высылает преобразователи случайным образом, но мне кажется, что плата с радиатором снизу лучше, так как радиатор там немного больше размером, хотя переходных отверстий под силовыми элементами нет, потому возможно они одинаковы.
Но на плате с радиаторами сверху они приклеены, а у первого типа радиатор привинчен, что возможно надежнее.

Из-за того, что существует версия платы с радиатором снизу, то на нижней стороне платы почти пусто. Присутствуют только контакты дросселя и разъемов.

Вот к качеству пайки этого самого дросселя и особенно разъемов у меня и была претензия, такое чувство что паяли холодным паяльником, если видите такое, то лучше пропаять, на всякий случай.

Как я выше писал, плата имеет в толщину всего 13мм, самые высокие компоненты, это конденсаторы.

Из непривычного мне отмечу наличие предохранителя, но как по мне, то довольно необычного формфактора, что однозначно затрудняет его замену, но также отмечу то, что в ходе тестов он остался жив:)
Также рядом находятся контакты для управления подачей напряжения на выход. Я пробовал их замыкать, напряжение на выходе снимается полностью, но это свойство обусловлено схемотехникой данного типа преобразователя.

По входу установлена пара алюминиевых конденсаторов 330мкФ х 50 Вольт, также присутствует и керамический конденсатор, подключенный параллельно им.
Дело в том, что преобразователь работает на высокой частоте, около 400кГц и на таких частотах и производитель ШИМ контроллера рекомендует ставить керамический конденсатор.

На выходе все сделано почти также, только конденсаторов здесь уже не два, а три.

Между радиаторами силовых элементов находится дроссель. Отмечу то, что дроссель не двухобмоточный, а просто намотан в два провода.
Я обратил на это внимание потому, что есть топология SEPIC преобразователя где применяется один дроссель, но с двумя обмотками вместо двух одинаковых дросселей.
На странице магазина написано что:

Inductors using Sendust, 0.8 wound bifilar, heat generating was less.

Насчет того, что материал сердечника - Сендаст, я спорить не буду, так как не могу этого проверить.
Но вот того что указана бифилярная намотка я поспорю. Дело в том, что бифилярный принцип намотки катушек как раз подразумевает отсутствие индуктивности. Не буду вдаваться в подробности скажу лишь то, что скорее всего это некорректный перевод и изначально это означало что намотка выполнена в два провода, и все.
Корректив - бифилярная катушка, это намотка катушки в два близкорасположенных провода, потому да, катушка бифилярная.

Как по мне, то дроссель немного маловат, да и провод можно было применить больше сечением, а лучше было вообще намотать его в 3-4 таких провода.

«Рулит» всем процессом преобразования ШИМ контроллер производства фирмы Linear Technology.
Данный ШИМ контроллер не содержит мощных выходных каскадов, для работы ему нужные внешние полевые транзисторы.
Видно что отмывка платы явно не очень, на фото контроллер уже частично отмыт.

Вот про этот контроллер, а также про такую хитрую топологию преобразователя я попробую рассказать немного подробнее.

Схему данной платы я не перечерчивал, так как делать это не очень удобно, но скажу что кардинальных отличий от даташита я не обнаружил, потому вполне можно руководствоваться документацией от производителя.

На удивление, при довольно запутанной схеме подключения, схема не так сложна.
На схеме можно легко выделить:
Контроллер
Четыре полевых транзистора
Два диода, которые стоят параллельно двум полевым транзисторам из четырех.
Шунт сопротивлением 10мОм. Кстати это одно из отличий, на плате применен шунт сопротивлением 7мОм.
Элементы «обвязки», цепи временной коррекции обратной связи, собственно обратная связь, цепи питания транзисторов «верхнего плеча».

Чтобы не запутывать читателя, я сделал более понятную блок-схему. По ней я и буду объяснять принцип работы данного типа преобразователей.

Я уже делал обзоры преобразователей разных типов, где описывал принципы их работы, в данном случае перед нами гибрид ужа и ежа понижающего и повышающего преобразователя.
Да. Изначально я думал что данный преобразователь работает по типу обычного SEPIC. но все оказалось одновременно и сложнее и проще.

Топология преобразователя похожа на мостовую, но работает несколько по другому.
На вид схема симметрична, но есть и отличия, например параллельно двум полевым транзисторам стоят диоды, но слева диод внизу, а справа - вверху.

Но в двухполупериодных схемах синхронное выпрямление можно сделать и проще, надо лишь намотать на трансформатор дополнительную пару обмоток, которые будут открывать транзисторы, например как на схеме ниже.

Как я выше писал, схема похожа на мостовую. изначально я думал, что преобразователь постоянно работает в одном режиме, «накачивая» дроссель открыванием транзисторов S1 и S4, с последующим «сливанием» энергии в нагрузку путем открывания транзисторов S2 и S3. Но все оказалось по другому.
Распишу коротко циклы работы согласно даташиту. Формально их четыре, но реально циклы 2 и 3 очень похожи друг на друга, потому опишу три.
1. Входное напряжение больше выходного.
Транзистор S3 постоянно открыт, а S4 постоянно закрыт. Транзисторы S1, S2, диод VD1 и дроссель образуют классический понижающий преобразователь под названием StepDown (ШИМ выведен на контакты Buck).
2. Входное напряжение меньше выходного.
Схема работы меняется на противоположную (я как то объяснял в одном из обзоров, что все эти схемы образованы одними и темы же компонентами, но по разному включенными).
Транзистор S1 полностью открывается, S2 закрывается, а транзисторы S3, S4, диод VD2 и дроссель образуют не менее классический повышающий преобразователь под названием StepUp (ШИМ выведен на контакты Boost).
3. Входное напряжение не сильно отличается от выходного.
Самый сложный режим. Я не буду сильно углубляться в дебри, но скажу что в данном режиме ШИМ выведен на все выходы и формально схема занимается постоянной «перекачкой» энергии открывая транзисторы по диагонали, сначала S1 и S4, потом S2 и S4. Разница только во времени открытого состояния, для повышения больше времени открыта пара S1 и S4, для понижения больше времени открыта пара S2 и S4. по крайней мере я так понял работу данного преобразователя.

Из всего вышеперечисленного я могу заключить, что формально эта схема не является SEPIC преобразователем в чистом виде, а является гибридной схемой повышения/понижения, режимы работы которой динамически переключаются в зависимости от разницы напряжений вход/выход.

Упрощенная блок схема для понимания принципа работы.
Получается что: понижающий + повышающий + синхронный выпрямитель = LTC3780

Под радиаторами скрываются половинки силовой части преобразователя, пара транзисторов и диод.
Диод , хотя по размерам я думаю что это скорее SS34, который слабее.
Транзисторы . Это полевые транзисторы которые рассчитаны на напряжение до 40 Вольт, ток до 50 Ампер, имеют сопротивление в открытом состоянии 7-9.5мОм и емкость затвора 1.5нФ. Параметры преобразователя можно улучшить, заменив транзисторы на аналоги с лучшими характеристиками. Да и нормально радиатор установить тогда можно, потому как приклеенный радиатор имеет очень низкую эффективность.

Также на плате расположен стабилизатор 5 Вольт.
Рядом с ним находится светодиод «Авария» и соответствующий подстроечный резистор для регулировки порога срабатывания. Правда надпись Fault, «сползла» куда то аж к предохранителю, но она относится к светодиоду.

Команда «авария» берется от ШИМ контроллера.
Причем есть переходной момент, когда светят оба светодиода, Авария и Работа.

Также на плате установлен операционный усилитель LM358, который отвечает за работу узла ограничения тока и аварийного отключения преобразователя.
На фото видно, что на плате присутствует два шунта по 7мОм каждый. Они соединены не параллельно, а последовательно. Первый отрабатывает токовую защиту ШИМ контроллера, второй работает в паре с операционным усилителем и схемой ограничения максимального тока.
Справа виден светодиод, который светит когда на выход подано напряжение.

Схему узла ограничения максимального тока и регулировки тока и напряжения, а также связи между ними.
К слову, регулировка напряжения и тока работает очень плавно, а точнее линейно, мне без проблем удавалось выставить напряжение как 1 Вольт, так и 30.

А это часть схемы, отвечающая за регулировку порога срабатывания защиты от работы при пониженном напряжении. Например можно выставить порог в 10 Вольт и при входном напряжении ниже этого порога преобразователь будет отключаться, как только напряжение повысится, то преобразователь возобновит работу.
Но так как в схеме нет гистерезиса, то понижение будет плавным, преобразователь будет постоянно балансировать между включено и выключено.
Собственно результатом этого является переходной режим, когда светят оба светодиода, Авария и Работа.

На этом пожалуй и все, пора переходить к тестам.
Для теста преобразователя был собран небольшой стенд, состоящий из:





Ручка и бумажка.

Изначально преобразователь был настроен на выходное напряжение 12 Вольт, а если точнее, то 12,07, я не стал его корректировать.

В даташите заявлено, что микросхема может работать начиная от 5 Вольт, но в том же даташите приведена табличка, дающая информацию о КПД и тепловыделении устройства.
Так вот график на этой табличке начинается примерно от 6 Вольт, потому и я тестировал начиная от 6 Вольт.

Первым делом я проверил уровень пульсаций и работоспособность устройства при входном напряжении 6 Вольт, выходном 12 и токах 1.25 Ампера (25% от максимума) и 4.5 Ампера. по даташиту выходной ток в таком режиме декларируется в 5 Ампер, но у меня преобразователь сваливался в защиту, входной ток доходил до 12-13 Ампер.
На фото плохо видно (все фото в моих обзорах кликабельны), потому буду пояснять по ходу процесса и указывать на замеченные особенности и недостатки.
1. Входное напряжение 6 Вольт, на выходе 12 Вольт, ток нагрузки 1.25 Ампера, все работает нормально, пульсации правда больше заявленных Output ripple: 50mV и составляют уже около 70-75мВ.
2. Входное напряжение 6 Вольт (на клеммах платы), на выходе 12.48, ток нагрузки 4.5 Ампера. Преобразователь мог выдать 5 Ампер, но лишь кратковременно. А вот пульсации выросли аж до 160мВ.

Немного отвлекусь на точность поддержания выходного напряжения.
Выше я написал, что напряжение при токе 4.5 Ампера составило 12.48 Вольта. Напряжение вообще преобразователь держит очень хорошо, но пока он холодный. Дело в том, что на плате установлены не прецизионные резисторы, самые обычные.
Прецизионные резисторы отличаются от обычных 5% не только точностью сопротивления, а и уходом его от изменения температуры. ТКС (температурный коэффициент сопротивления) точных резисторов заметно ниже чем у обычных, потому плата после прогрева поднимала напряжение на выходе. Если хотя бы подуть на плату, то напряжение сразу начинало снижаться.
Повысить точность можно либо улучшив охлаждение либо заменив резисторы цепи обратной связи на прецизионные. правда останется подстроечный резистор, который также имеет свойство «уходить» от нагрева, но стабилизация все равно будет лучше.

1. Входное напряжение 12 Вольт, выходное 12, ток нагрузки 8 Ампер. Здесь работало все красиво, только пульсации составляли 150мВ.
2. Данный тест было проведен просто ради любопытства.
Установил на выходе минимально возможное напряжение, что то около 0.85 Вольта, нагрузил током 6.7 Ампера. Этот тест не попал в сводную таблицу, нагрев был небольшим, работало все отлично. Даже уровень пульсаций вписался в норму.

Пробуем преобразователь в режиме понижения.
Вход 30 Вольт, выход 12 Вольт. Сначала ток нагрузки был 8 Ампер, но через несколько минут преобразователь отключил напряжение на выходе (собственно заметил по сигнализации электронной нагрузки).
После этого пришлось снизить выходной ток до 6.7 Ампера, в таком режиме все работало нормально. Даже пульсации были всего около 60мВ, что ненамного выше заявленных 50мВ.

1. Понижаем с 12 Вольт до 5, ток нагрузки 8 Ампер. Преобразователь ведет себя отлично.
2. Повышаем с 12 до 30, ток нагрузки 3 ампера. Я бы сказал что преобразователь вел себя отлично, если бы не высокий уровень пульсаций и постепенный уход выходного напряжения от прогрева.

1. Входное напряжение 6 Вольт, выходное 30 Вольт. Сначала поставил ток нагрузки 1.7 Ампера, но преобразователю это не очень понравилось, начался большой нагрев и нестабильная работа.
2. После снижения тока нагрузки до 1.5 Ампера стало все почти нормально, правда нагрев был довольно большим, да и уровень пульсаций оставлял желать лучшего.

Но кроме проблем с уходом напряжения из-за нагрева проявилась еще одна проблемка.
На фото эксперимент с понижением напряжения с 30 до 5 Вольт.
Видно что выходное напряжение стоит как вкопанное, четко 5 Вольт, ток нагрузки также неизменен и составляет 8 Ампер.
Но потребляемый ток на первом фото 1.4 Ампера, а на втором 1.7 Ампера.
Проявилось через небольшое время после запуска, услышал посторонний звук от преобразователя (при работающих вентиляторах нагрузки) и сразу обратил внимание на эту особенность.
При повышении нагрузки до 7.5 Ампера преобразователь «срывался» в самовозбуждение и начинал потреблять больше. Я без проблем мог выставить на выходе и 8 Ампер, это видно на фото, но как вы понимаете, нагреваться он начинал довольно быстро, так как начинали выделяться «лишние» 9 Ватт.
Осциллограмма превращалась в нечто невразумительное (в отдельном виде не сделал, потому только на фото).
При снижении тока нагрузки до 5.7 Ампера самовозбуждение пропадало и преобразователь выходил на нормальный режим работы. Можно было спокойно поднять ток до 7 Ампер и он работал абсолютно стабильно.

Все результаты тестов были сведены в таблицу, в которой присутствуют следующие колонки:
VT_L - Температура левой пары транзисторов (около входного разъема)
Cвх - Температура входных конденсаторов
Дроссель - Температура дросселя.
VT_R - Температура правой пары транзисторов
Cвых - Температура выходных конденсаторов
Uвх - Входное напряжение округленно.
Iвх - Ток потребления по показаниям БП
Uвых - Выходное напряжение по показаниям мультиметра
I вых - Выходной ток по показаниям электронной нагрузки (округленно)
Рвх - Выходная мощность по показаниям БП
Рвых - Выходная мощность по показаниям электронной нагрузки
КПД - Расчетный КПД, разница между входной и выходной мощностью

БП на малых токах имеет реально ниже выходной ток чем задано, но при токах более 2 Ампер ведет себя вполне корректно. Собственно поэтому расчет КПД несколько отличается от реального. Если надо более точное измерение, то могу измерить при необходимых параметрах, например измерить КПД при определенном входном напряжении и выходном напряжении и токе нагрузки.
В некоторых тестах есть большой нагрев дросселя. Не могу утверждать насчет материала, но порошковые магнитопроводы вообще спокойно работают при температурах до 200 градусов, хотя в процессе тестов у меня было подозрение на перегрев. Вернее поведение преобразователя было похоже на работу с перегретым дросселем выполненном на сердечнике из феррита.

Термограмма платы в самом горячем режиме.
При тестах плата просто лежала на столе радиаторами вверх, это далеко не самое оптимальное положение с точки зрения отвода тепла, лучше бы она работала в вертикальном положении радиаторами вверх, но тестировать так было бы неудобно, да и некорректно.
Кроме того в таблице видно, что в зависимости от режима работы (повышение/понижение) больше греется левая или правая пара транзисторов.

Теперь можно проанализировать данный преобразователь и определить его плюсы и минусы.
Плюсы
Преобразователь работает, что уже неплохо.
Действительно обеспечивается регулировка выходного напряжения напряжения в диапазоне 1-30 Вольт при входном 6-30 Вольт.
Преобразователь довольно мощный, хоть и не дотягивает до заявленных характеристик.
Вполне приличный КПД для такого широкого диапазона.

Минусы
Качество изготовления могло бы быть и получше.
В цепи обратной связи установлены обычные резисторы, а не прецизионные. Из-за этого при нагреве увеличивается выходное напряжение.
Хоть КПД устройства и неплох, но из-за плохого отвода тепла от транзисторов возможен перегрев на максимальных режимах.
Пульсации, они явно больше заявленных.

Что я думаю по поводу данного преобразователя.
Как по мне, то вещь однозначно интересная, хотя частично представляет собой не готовое изделие, а скорее «конструктор». Можно улучшить работу, если доработать охлаждение и заменить несколько резисторов на точные.
Как по мне, то самый оптимальный режим при 12 Вольт питании. Т.е. можно подключить 12 Вольт БП и получить на выходе напряжение от 1 до 30 Вольт. правда я не стал бы рекомендовать делать на базе этой платы именно регулируемый БП, так как максимальный ток разный для минимального и максимального напряжений. Не помешало бы ограничение максимальной мощности, как вариант, ограничение максимального входного тока.
Выше я писал насчет пульсаций. Пульсации это плохо, но на частоте в 400кГц их можно относительно легко уменьшить при помощи LC фильтра.
Преобразователь в тестах показал, что в некоторых режимах действительно кратковременно может отдавать большую выходную мощность, что может быть полезно при работе с нагрузками, которые в штатном режиме потребляют мало, но периодически могут потреблять большой ток.

Для чего можно эффективно использовать такой преобразователь.
Заряд аккумуляторов или питание различных устройств от солнечных батарей.
Питание различных нагрузок в автомобиле. Например можно спокойно питать небольшой компьютер с 12 Вольт питанием не боясь его отключения во время работы стартера или перенапряжения во время работы двигателя, можно перенастроить и питать ноутбук, а изменить настройку в другую сторону и заряжать планшет.

Т.е. преобразователь может полностью показать себя только там, где требуется определенное выходное напряжение при том, что входное может быть как выше, так и ниже выходного. Если выходное напряжение всегда ниже или выше выходного, то лучше применить преобразователь с фиксированным режимом работы, он будет выгоднее.

На этом все. Я постарался протестировать основные режимы работы преобразователя, но так как диапазон входного напряжения 6-30 Вольт, выходного 1-30, то комбинаций получается очень много.
В общему как всегда, жду вопросов, дополнений, исправлений, а также просто комментариев:)

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Планирую купить +76 Добавить в избранное Обзор понравился +95 +175