Обзор

Двухполярный DC-DC преобразователь с симметричными выходными напряжениями - тест и обзор

     Оглавление:
   1. Внешний вид и технические характеристики двухполярного DC-DC преобразователя с симметричными выходами

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Предисловие

Обзор посвящен двухполярному DC-DC преобразователю малой мощности с симметричными выходами; который, кроме того, является ещё и понижающе-повышающим; то есть - максимально универсальным.

Но, как известно, ни в природе, ни в технике, ничто не даётся "просто так". Как правило, за какие-то достоинства приходится расплачиваться какими-то недостатками. В чем здесь состоит "расплата" и насколько она значительна, разберёмся по ходу обзора.

(Изображение с Алиэкспресс, кликнуть для увеличения)

Преобразователь позволяет регулировать выходное напряжение в широких пределах: официально - от 3 до 30 В, а неофициально, как выяснилось, ещё шире.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс  здесь или здесь, а также и у многих других продавцов.

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

Внешний вид и технические характеристики двухполярного DC-DC преобразователя

Технические характеристики тестируемого биполярного DC-DC преобразователя перечислены в следующей таблице:

В таблице приведены "официальные" параметры, представленные производителем. С реальными параметрами они не совпадут; причём в каком-то отношении - в лучшую сторону; а в каком-то  - в худшую.

Производитель особо оговаривает, что преобразователь нельзя нагружать только на одно отрицательное плечо. Наоборот - можно.

Устройство представляет собой бескорпусную плату с многооборотным подстроечным резистором для настройки выходного напряжения. Вид преобразователя в двух боковых ракурсах:

Монтаж элементов выполнен аккуратно, но в конструкции есть недостаток: на плате отсутствуют крепёжные отверстия. Проблема - не критичная и вполне решаемая неленивым потребителем; но со стороны производителя это всё-таки недоработка.

Теоретически, проблемой в условиях тряски и вибрации может быть и крепление индуктивностей, которые держатся на плате только за счёт пайки тех проводов, которыми они намотаны. В случае работы платы в условиях вибрации рекомендуется эти индуктивности дополнительно укрепить.

Посмотрим на обратную сторону платы:

На обратной стороне платы всё в порядке: плата выполнена с максимальным заполнением площади металлизации "земляным" проводником. А это полезно и для уменьшения пульсаций по "земле", и для улучшения теплоотвода (правда, забегая вперёд, надо сказать, что теплоотвода всё равно окажется недостаточно).

Обратите внимание на самый длинный печатный проводник на этой стороне платы: он подаёт сигнал обратной связи для стабилизации напряжения на выходе. Причём берётся этот сигнал с положительного плеча.

Вот по этой причине производитель и запрещает использовать только одно отрицательное плечо: стабилизация будет производиться по тому плечу, которое не работает!

Кстати, если потребитель по каким-либо причинам пожелает замедлить скорость подъёма выходного напряжения и одновременно снизить бросок тока в момент старта, то это можно сделать, припаяв параллельно переменному резистору ёмкость 1-10 мкФ. Инструкцию даёт сам производитель:

Теперь посмотрим на плату сверху и, заодно, кратко разберём элементную базу.

Все элементы на плате рассматривать не будем, а только пробежимся по самым основным.

1 - Главный и единственный чип преобразователя - XL6019E1 производителя XLSEMI.  Максимальный импульсный ток - 5 А, полностью все параметры - в datasheet XL6019 (PDF, 320KB). Этот чип предназначается для построения повышающих DC-DC преобразователей, но может использоваться также для повышающе-понижающих преобразователей по схеме SEPIC. Тестируемый преобразователь является одной из вариаций на тему SEPIC.

2 - Электролитические конденсаторы по питанию, как входящему, так и исходящему. Номиналы всех трёх электролитов - одинаковые, 220 мкФ * 50 В. В соответствии с манерами хорошего тона, принятыми в электронике, параллельно каждому электролиту установлено по небольшому керамическому конденсатору.

3 - Индуктивности, участвующие в преобразовании напряжения.

4 - Диоды, выпрямляющие импульсное напряжение перед его подачей на выход. Наименование диодов - SS54; это - диоды Шоттки с малым прямым падением напряжения. В их наименовании зашифрованы их параметры (5 А, 40 В).

5 - Многооборотный подстроечный резистор, с помощью которого устанавливается выходное напряжение. Слева от него - два небольших электролита 47 мкФ * 63 В, которые вместе с индуктивностями участвуют в преобразовании напряжения.

Теперь переходим к тестам.

Тестирование двухполярного DC-DC преобразователя с симметричными выходными напряжениями

Большинство тестов выполнялись при установке выходного положительного напряжения на уровне 15 Вольт (напряжение отрицательно плеча могло немного отличаться от положительного), об исключениях будет упомянуто.

Для питания преобразователя в процессе тестирования применялся лабораторный блок питания Longwei LW-K3010D (обзор); термоснимки производились тепловизором UNI-T Uti120Mobile (обзор на стороннем ресурсе).

Тестирование начинаем с измерения потребляемого тока на холостом ходу (со снятой нагрузкой).

Ток холостого хода измерялся при установке входного напряжения на уровне 5 В и составил 17.4 мА.

Далее проверяем работу с реальной нагрузкой.

   1. Высокая симметричная нагрузка, напряжение питания 12 В.

В качестве нагрузки использовались параллельно соединённые резисторы 100 Ом и 150 Ом в каждом плече (итого 60 Ом в каждом плече).

Потребляемый ток от источника питания составил 0.81 А, напряжение на положительном плече - 15 В, на отрицательном - 14.8 В.

Потребляемая мощность составила 9.72 Вт, мощность в нагрузке - 7.4 Вт, КПД=76%.

Термоснимок платы в установившемся режиме (плата на снимке расположена вертикально):

На снимке видно, что сильнее всего разогрелась средняя индуктивность, и её нагрев - очень сильный (почти 77 градусов); даже несмотря на благоприятные условия охлаждения (открытое пространство на столе).

Таким образом, можно рекомендовать использовать этот преобразователь при мощности на выходе не более 8 Вт (хотя производитель писал о 20 Вт).
 

   2. Высокая симметричная нагрузка, напряжение питания 5 В.

Нагрузка - та же, что и в предыдущем пункте.

Потребляемый ток от источника питания составил 2.55 А, напряжение на положительном плече - 15 В, на отрицательном - 14.7 В.

Потребляемая мощность составила 12.75 Вт, мощность в нагрузке - 7.35 Вт, КПД=58%.

Термоснимок платы (плата на снимке расположена вертикально):

Из-за перегрева платы тест пришлось остановить раньше, чем система пришла к установившемуся температурному режиму; в момент выключения температура достигла почти 108 градусов.

На снимке надо отметить, что в этом режиме эпицентром нагрева стал сам чип преобразователя. Это произошло вследствие того, что из-за повышения тока повысилась мощность, рассеиваемая на остаточном сопротивлении ключевого транзистора чипа преобразователя.

При работе преобразователя от источника с напряжением 5 В можно рекомендовать использовать устройство с мощностью нагрузки примерно только до 4 Вт.

После остывания платы она была повторно включена в этом же режиме, и были сняты осциллограммы пульсаций.

Первая осциллограмма - пульсации на положительном плече:

Теперь - пульсации на отрицательном плече.

Они оказались по форме мало похожи на пульсации положительного плеча:

Считать такие пульсации большими или маленькими, зависит от чувствительности к помехам по питанию устройства, на которое работает этот преобразователь. Скорее всего, это устройство содержит достаточное количество конденсаторов, окончательно добивающих эти пульсации. В ином случае их следует добавить с внешней стороны.

Кроме показанных выше "быстрых" пульсаций (на частоте преобразования), при токе потребления преобразователем от источника питания свыше ~0.7 А возникают ещё и "медленные" пульсации на частоте около 2.5 кГц:

При возникновении таких пульсаций от преобразователя был слышен слабый писк.

Такие помехи из-за своей низкочастотности труднее подавляются электролитическими конденсаторами, что будет служить ещё одним ограничителем мощности, передаваемой в нагрузку (в тех случаях, когда критически важен низкий уровень пульсаций).

Но в некоторых случаях проблему можно обойти: если на вход преобразователя подать более высокое напряжение, то входящий ток упадёт, и "медленные" пульсации не возникнут.

Следующие проверки будут менее экстремальными по мощности рассеяния, и термоснимки приводиться не будут.
 

   3. Средняя по мощности несимметричная нагрузка, напряжение питания 12 В.

В качестве нагрузки положительного плеча использовались параллельно соединённые резисторы 100 Ом и 150 Ом (итого 60 Ом); а в качестве нагрузки отрицательного плеча - резистор 1 кОм.

Напряжение на положительном плече установлено 15 В, на отрицательном составило 15.2 В.

Такой режим оказался вполне работоспособным, и притом с высокой симметричностью выходных напряжений.

Кстати, производитель вполне допускает использование преобразователя в режиме с нагрузкой только на положительное плечо; но для таких целей можно найти другие преобразователи, без "доплаты" за неработающее отрицательное плечо.
 

   4. Средняя по мощности несимметричная нагрузка, напряжение питания 12 В.

Теперь меняем несимметричность нагрузки на противоположную. В качестве нагрузки положительного плеча использовался резистор 1 кОм, а в качестве нагрузки отрицательного плеча - параллельно соединённые резисторы 100 Ом и 150 Ом (итого 60 Ом).

Напряжение на положительном плече установлено 15 В, на отрицательном составило 14.6 В.

Симметричность выходных напряжений в режиме с таким сильным разбалансом нагрузок ухудшилась, но режим оказался вполне работоспособным.
 

   5. Малая по мощности симметричная нагрузка, напряжение питания 12 В. Проверка минимального и максимального напряжения выхода.

В качестве нагрузки были подключены резисторы 1 кОм в каждое плечо.

Минимальное напряжение на выходе удалось установить 1.3 В, а максимальное - 33.2 В.

   6. Малая по мощности симметричная нагрузка. Проверка минимального входного напряжения, достаточного для корректной работы преобразователя.

В качестве нагрузки были подключены резисторы 1 кОм в каждое плечо, напряжение на выходе установлено 15 В.

Минимальное напряжение питания для устойчивой работы преобразователя составило 3.6 В, что случайно совпало с данными производителя. :)

При снижении до 3.4 - 3.5 В напряжение на выходе сначала поднималось до 16.2 В; при дальнейшем снижении напряжения питания преобразователя напряжение на его выходе резко падало.

На этом можно перейти к окончательным итогам.

Окончательный диагноз двухполярного DC-DC преобразователя с симметричными выходными напряжениями

Преобразователь в целом показал себя позитивным и пригодным для практического применения устройством, но есть нюансы.

Первое и самое главное: не следует пытаться "выжать" из него максимальную мощность, заявленную производителем (20 Вт). Перегрев с последующими неблагоприятными последствиями гарантирован. Следует ограничиться мощностью примерно в 8 Вт.

Второе: даже и такую мощность можно от него взять не при любых условиях. Если входящее напряжение питания мало (например, составляет стандартные 5 В), то ограничение мощности выхода составит около 4 Вт. Дополнительным ограничителем могут быть повышенные требования к пульсациям со стороны питаемого устройства; тогда для устранения "медленных" пульсаций величина мощности нагрузки не должна превышать 2 Вт.

Третье (приятное): диапазон регулировки выходного напряжения оказался шире, чем был заявлен производителем, и составил от 1.3 до 33 В. При этом верхняя граница диапазона будет зависеть от разброса номиналов подстроечного резистора и не всегда может быть гарантирована, а нижняя граница определяется самим чипом преобразователя и может быть гарантирована во всех случаях.

Купить протестированный преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь или здесь, а также и у многих других продавцов.  Цена на дату обзора - около $4.5 - $5. Покупайте, где дешевле; товар - одинаковый.

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

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

  Ваш Доктор.
 27 января 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!