Обзор

Обзор повышающе-понижающего DC-DC преобразователя мощностью до 20 Вт: делаем любое напряжение из любого напряжения (в пределах разумного)

Предисловие

Повышающе-понижающие DC-DC преобразователи (постоянного тока в постоянный) - устройства крайне позитивные, поскольку позволяют поддерживать стабильное выходное напряжение при большом разбросе входного; и, что особенно важно - как в тех случаях, когда входное напряжение ниже выходного, так и когда - наоборот.

Протестированный понижающе-повышающий DC-DC преобразователь (постоянного тока в постоянный) оказался устройством не совсем обычным. Помимо своих интересных свойств, как положительных, так и не очень, преобразователь оказался пригодным для доработки, немного расширяющей диапазон выходного напряжения относительно заявленного изготовителем.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $1.5 с учётом доставки (цена может меняться в любую сторону, проверяйте!).

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

     Оглавление:
   1. Внешний вид и технические характеристики повышающе-понижающего DC-DC преобразователя

   2. Тестирование (температурные режимы, пульсации, осциллограммы и др.)

   3. Особенность работы понижающе-повышающего DC-DC преобразователя при напряжении входа ниже минимально-допустимого (5 В)

   4. Окончательный диагноз

Внешний вид, конструкция и технические характеристики повышающе-понижающего DC-DC преобразователя

Преобразователь выполнен в виде небольшой узкой платы; посмотрим на неё в двух диагональных ракурсах:

Обратная сторона печатной платы выглядит так:

Преобразователь основан на чипе XL6019E1 (datasheet XL6019), предназначенном для повышающих и повышающе-понижающих преобразователей.

Исходя из параметров этого чипа, а также данных, заявленных изготовителем, можно составить таблицу технических характеристик преобразователя:

Примечания *1 и *2. Допустимое входное напряжение может составлять до 40 В, но оно ограничено номинальным напряжением электролитического конденсатора на входе (220 мкФ / 35 В). Аналогично и выходное напряжение может составлять до 39 В, но тоже ограничено номинальным напряжением такого же электролитического конденсатора на выходе (220 мкФ / 35 В).

Теперь кратко пробежимся по схемотехнике преобразователя.

Принцип работы повышающе-понижающих преобразователей на основе схемотехники SEPIC отражает вот эта упрощенная схема:

Подробных пояснений к схеме я здесь приводить не буду, их можно найти в интернете.

А вот отдельные тонкости данного конкретного преобразователя разберём!

На следующем изображении - вид платы преобразователя сверху с условными цифровыми обозначениями компонентов:

1 - главный и единственный чип преобразователя XL6019E1;

2,3 - индуктивности, работающие в схеме преобразования;

4 - электролитический конденсатор на входе преобразователя (470 мкФ / 35 В);

5 - электролитический конденсатор на выходе преобразователя (470 мкФ / 35 В);

6 - керамический конденсатор, работающий в схеме преобразования:

7 - индуктивность фильтра на выходе преобразователя;

8 - вход "+" питания;

9 - вход "земля" питания;

10 - вход разрешения и запрета работы. Вход не подключен - работа разрешена, вход соединён с землёй - работа запрещена;

11 - выход "+";

12 - выход "земля";

13 - выпрямительный диод SS56 на выходе схемы преобразования (диод Шоттки, 5 А / 60 В).

Теперь переходим к тестам.

Тестирование повышающе-понижающего DC-DC преобразователя мощностью до 20 Вт

Важная особенность тестируемого преобразователя - отсутствие теплоотвода на его чипе; при том, что выходная мощность преобразователя - довольно значительна (заявлено 20 Вт).

В связи с этим обязательно проверим его температурные режимы (это и будет основное, но не единственное содержание теста).

В тестах температурных режимов на выходе устанавливалось напряжение 16 В и к выходу подключалась нагрузка 16 Ом. В результате ток выхода составлял 1 А, а выходная мощность - 16 Вт (80% от указанной изготовителем).

1. Первый тест. Входное напряжение 9 В, входной ток составил 2.1 А.

Термоснимок преобразователя в установившемся режиме:

В этом тесте температура чипа составила почти 124 градуса. Интересно, что наиболее сильно разогрелась не середина чипа, а его край.

Температура обеих индуктивностей тоже оказалась высокой, около 75-78 градусов. Сильно разогрелся и выпрямительный диод SS56почти до 90 градусов. Примерно такой же была температура этих деталей и в остальных тестах.

Примерно через минуту работы в таком режиме напряжение на выходе стало падать: это включилась собственная термозащита чипа XL6019.

Успешное срабатывание защиты записываем в несомненный "плюс" преобразователя; но вот такую комбинацию мощности нагрузки и входного напряжения, при которых включилась термозащита,  объявляем недопустимой.

Как медицинский факт стоит при этом упомянуть, что работа импульсных преобразователей с низкими входными напряжениями является для них неблагоприятным режимом. Чем ниже входное напряжение, тем больший ток они потребляют при фиксированной мощности выхода, и тем больше потери на ключевом транзисторе и на катушках индуктивности.

КПД в этом режиме до включения термозащиты составил 85%.
 

2. Входное напряжение 12 В, входной ток составил 1.55 А.

Термоснимок преобразователя в установившемся режиме:

Температура чипа составила до 110 градусов, но работа была стабильной - термозащита не срабатывала.

КПД в этом режиме составил 86%.
 

3. Входное напряжение 15 В, входной ток составил 1.23 А.

Термоснимок преобразователя в установившемся режиме:

Температура чипа снизилась до 102 градусов.

КПД в этом режиме составил 87%.
 

4. Входное напряжение 18 В, входной ток составил 1.01 А.

Термоснимок преобразователя в установившемся режиме:

Температура чипа снизилась ещё чуть-чуть (до 98 градусов), а КПД - ещё чуть-чуть повысился, до 88%.

При дальнейшем повышении входного напряжения до 30 В температура чипа существенно не менялась и оставалась в пределах 97-102 градуса.

Теперь от температурных тестов переходим к другим испытаниям.
 

Проверка тока потребления холостого хода в зависимости от входного напряжения:

5 В - 9.2 мА;

12 В - 6.3 мА;

30 В - 4.4 мА.
 

Осциллограммы напряжений на выходе чипа и в точке соединения 2-ой индуктивности с выпрямительным диодом (при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 16 В, токе выхода  1 А):

Проверка пульсаций выходного напряжения (режим работы преобразователя - прежний)

Осциллограмма пульсаций напряжения до выходного фильтра:

Осциллограмма пульсаций напряжения после выходного фильтра:

Сравнивая две последние осциллограммы, можно убедиться, что выходной фильтр имеет высокую эффективность.
 

Проверка минимального и максимального выходного напряжения

Минимальное напряжение на выходе - 1.25 В, максимальное - 38.7 В; но устанавливать максимальное напряжение на длительное время - нельзя, так как оно превышает максимально-допустимое напряжение электролитического конденсатора на выходе преобразователя (220 мкФ / 35 В). Впрочем, поменяв конденсатор на более высоковольтный - можно.
 

Проверка режима короткого замыкания на выходе

При коротком замыкании на выходе ток входа составляет около 1 А, что может привести к сильному нагреву элементов схемы. Режим короткого замыкания длительностью свыше нескольких секунд крайне не рекомендуется.
 

Особенность работы понижающе-повышающего DC-DC преобразователя при напряжении входа ниже минимально-допустимого (5 В)

При попытке выяснить минимальное напряжение запуска преобразователя выяснилась особенность, из-за которой использовать его в режиме с входным напряжением ниже минимально-допустимого нельзя.

При входном напряжении 3.1 - 3.4 В напряжение на выходе на холостом ходу подскакивало до 48-52 В независимо от того, какое напряжение выхода было установлено в рабочем режиме. То есть, создаётся опасность выхода из строя подключенной к преобразователю нагрузки.

По этой причине преобразователь нельзя питать от односекционного литий-ионного аккумулятора, так как при приближении уровня его заряда к нулю его выходное напряжение как раз оказывается в этой опасной зоне.

На всякий случай были сняты осциллограммы процессов включения и выключения преобразователя, так как в этом случае тоже на какое-то короткое время напряжение входа пересекает опасную зону.

При этом на осциллограмме при включении преобразователя ничего подозрительного не обнаружилось, а на осциллограмме при его выключении на выходе в режиме холостого хода обнаружился небольшой пик:

Повышение напряжения в пике составило около 2 В, что в большинстве случаев не должно быть критичным.

При нагрузке на выходе в 100 мА никакого повышения напряжения на выходе в момент выключения не было:

Так что при реальной работе никаких неприятностей можно не ожидать.

На этом можно перейти к окончательному диагнозу.
 

Окончательный диагноз повышающе-понижающего DC-DC преобразователя на XL6019

В целом протестированный повышающе-понижающий DC-DC преобразователь показал себя вполне функциональным и пригодным к употреблению устройством.

Но, при его использовании надо помнить об его ограничениях; и, самое главное, не надо пытаться его использовать совместно с односекционными литий-ионными аккумуляторами. Преобразователь войдёт в нештатный режим работы с возможными неприятными последствиями.

Из плюсов преобразователя надо отметить наличие выходного фильтра, многократно снижающего пульсации выходного напряжения.

Из других особенностей надо отметить более низкий КПД, чем он обычно бывает отдельно у понижающих и повышающих DC-DC преобразователей. Объясняется это тем, что здесь преобразователь прогоняет энергию не через одну, а через две индуктивности, каждая из которых вносит свой вклад в потери.

Отсюда проистекает и область применения протестированного преобразователя: это - именно те случаи, когда входное напряжение может быть как ниже, так и выше требуемого выходного напряжения.

Например, он может использоваться для получения "истинного" напряжения 12 В от аккумулятора с номинальным напряжением 12 В, которое на самом деле в процессе заряда и разряда может меняться от 10 до 14 В.

Купить протестированный повышающе-понижающий DC-DC преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $1.5. Цена может меняться в любую сторону, проверяйте! Если найдётся у других продавцов дешевле, то тоже можно брать - товар одинаковый.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

При тестировании преобразователя использовался осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 20 декабря 2022 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!