Обзор мощного повышающего DC-DC преобразователя на почти честные 200 Вт

     Оглавление:
   1. Внешний вид и технические характеристики повышающего DC-DC преобразователя 200 Вт

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Предисловие

Обзор посвящён мощному (до 200 Вт в зависимости от режима) повышающему DC-DC преобразователю, способному отдать выходной ток до 7 А и выходное напряжение до 55 В (но при условии, что входная мощность не превысит 200 Вт).

Преобразователь основан на микросхеме FP5139, которая предназначена для работы совместно с внешним силовым транзистором, и потому, при выборе достаточно мощного транзистора и выходная мощность преобразователя тоже может быть очень высокой.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $4 с учётом доставки (цена может меняться в любую сторону, проверяйте!).
   Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Внешний вид, конструкция и технические характеристики повышающего DC-DC преобразователя мощностью 200 Вт

Устройство поставляется в виде платы, установленной в металлическом корпусе (фото выше). Внешняя сторона корпуса покрыта тонкой плёнкой голубого цвета.

Корпус имеет прорези для вентиляции и отверстия, через которые тонкой отвёрткой можно регулировать выходное напряжение, а также подключать и отключать проводники входа и выхода.

Внимание! На корпусе есть маркировка полярности подключения напряжения входа и выхода, но она не верная: со стороны входа полярность перепутана, а со стороны выхода вообще обозначено переменное напряжение (AC). Ориентироваться надо по маркировке на самой плате (там всё верно).

Вид корпуса с обратной стороны:

Составные части корпуса удерживаются вместе с помощью защёлок "выступ - отверстие" (не слишком тугих, снятие крышки проблемы не составляет).

Вид DC-DC преобразователя со снятой крышкой:

Большую часть элементов закрывает алюминиевый радиатор, приклеенный прямо на мощный MOSFET-транзистор и выпрямительный диод Шоттки.

Приклеен он очень хорошо, поэтому пришлось прилично потрудиться, чтобы его оторвать без повреждения деталей. А сделать это было необходимо для анализа теплового режима преобразователя в процессе работы (в этом обнаружилось много интересного).

Так выглядит плата преобразователя без радиатора:

Теперь можно рассмотреть и оценить схемотехнику и элементную базу этого повышающего DC-DC преобразователя.

Но перед этим надо отметить, что радиатор был приклеен к пластиковой стороне транзистора и диода. А это значит, что эффективность теплоотвода будет лишь чуть лучше, чем никакая. :) Но, как выяснится позже, большой беды в этом не будет (а окажется она не здесь).

Тип MOSFET-а - AP9974GS (60 В, импульсный ток 72 А, сопротивление открытого канала 12 миллиОм). Одобряем!

Тип диода Шоттки - B20100G  (100 В, 20 А). Одобряем!

Электролитический конденсатор на входе - 1000 мкФ, 35 В. По напряжению - нормально для заявленных параметров преобразователя; но по ёмкости - маловато будет для максимальной мощности. Должны быть в наличии дополнительные конденсаторы со стороны первичного источника питания.

То же касается и конденсатора на выходе (470 мкФ, 63 В).

Питание контроллера преобразователя FP5139 организовано элементарно (транзистор и стабилитрон), но с хитростью: если входное напряжение ниже 8.4 В, то оно передаётся на контроллер почти "как есть"; а если выше 8.4 В, то ограничивается на этой величине.

Дроссель намотан сдвоенным толстым проводом, но, как выяснится позже, этого окажется недостаточно.

Справа внизу на плате виден многооборотный подстроечник, с помощью которого устанавливается требуемое напряжение на выходе.

Схема включения чипа FP5139, применённая в преобразователе, близка к типовой схеме, рекомендуемой в datasheet FP5139:

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

Вот теперь переходим к тестам.

Тестирование мощного повышающего DC-DC преобразователя на 200 Вт

1. Измерения потребляемого тока на холостом ходу (без нагрузки)

При входном напряжении 12 В и выходном 20 В ток потребления составил 21 мА.
 

2. Температурный режим повышающего DC-DC преобразователя

Температурный режим при длительной работе проверялся на половинной мощности (100 Вт на выходе). Проверка проводилась со снятым радиатором и без корпуса, чтобы посмотреть через тепловизор, что и как там греется.

Входное напряжение было установлено 20 В; выходное - 40 В; нагрузка - мощные резисторы суммарным сопротивлением 16 Ом.

Теплоснимок в установившемся тепловом режиме:

Неожиданно самым горячим элементом оказалась индуктивность (дроссель); а мощный транзистор и диод нагреваются значительно меньше.

И, что ещё неприятно: нагрев (131 градус) может представлять реальную опасность для преобразователя, если он в таком режиме будет работать систематически и подолгу.

А при установке платы в корпус за счёт ухудшения вентиляции нагрев может стать ещё сильнее!

Дальнейшие эксперименты показали, что температура дросселя остаётся в рамках более-менее приемлемых значений (до 80 градусов), если мощность нагрузки не превосходит 50 Вт.
 

3. Проверка КПД

Проверка производилась при мощности на нагрузке 50, 100 и 189 Вт (нагрузка - резисторы суммарным сопростивлением 16 Ом).

3.1 Входное напряжение 20 В, выходное напряжение 28 В, мощность в нагрузке 50 Вт.

Входной ток - 2.58 А, входная мощность - 51.6 Вт, КПД = 96.9%.

3.2 Входное напряжение 20 В, выходное напряжение 40 В, мощность в нагрузке 100 Вт.

Входной ток - 5.31 А, входная мощность - 106.3 Вт, КПД = 94.1%.

3.2 Входное напряжение 30 В, выходное напряжение 55 В, мощность в нагрузке 189 Вт.

Входной ток - 6.65 А, входная мощность - 199.8 Вт, КПД = 94.6%.

Последнее измерение проводилось при кратковременном включении нагрузки (во избежание перегрева), из-за чего КПД мог получиться немного завышенным (индуктивность не успевала прогреваться, сопротивление обмотки было низким, и КПД получился выше, чем был бы при длительном режиме работы).
 

4. Пульсации выходного напряжения

Осциллограммы пульсаций снимались в при мощности в нагрузке 50 Вт. Пульсации состояли из "основной" волны и высокочастотных выбросов:

Величина основной волны пульсаций - около 250 мВ (пик-пик). Частота пульсаций (она же и частота преобразования) - около 110 кГц.

Считать ли пульсации малыми или большими - зависит от характера аппаратуры, используемой в качестве нагрузки. Для чувствительной аппаратуры может потребоваться подключение дополнительных конденсаторов по питанию.

Высокочастотные выбросы на фронтах пульсаций образуются колебаниями на паразитных контурах в цепях преобразования:

Частота этих затухающих колебаний - около 12.5 МГц, но на неё могло повлиять даже подключение щупа осциллографа, поэтому это значение - весьма приблизительное. Помех в FM-диапазоне эти колебания не создавали.
 

5. Разное

Включение преобразователя происходит при входном напряжении 6.2 В (как примерно и обещал производитель).

При работе преобразователя на низких напряжениях выяснилась особенность: если из-за провала напряжения первичного источника питания срывается генерация микросхемы FP5139, то после восстановления напряжения генерация снова не запускается (требуется полностью выключить и включить питание).

Такие ситуации могут возникать при резком росте потребления со стороны нагрузки. Надо иметь в виду эту особенность; и, в принципе, работа преобразователя вблизи нижней границы работоспособности из-за этой особенности не желательна.

Максимальное напряжение на выходе удалось установить на уровне 64 В; но гарантировать такую величину выходного напряжения для всех экземпляров преобразователя невозможно из-за разброса параметров его элементов (гарантированы только 55 В, указанные производителем).

Минимальное напряжение на выходе равно напряжению питания преобразователя (это общее правило для повышающих преобразователей).

На этом можно перейти к окончательному диагнозу.

Окончательный диагноз мощного повышающего DC-DC преобразователя 200 Вт

Протестированный повышающий DC-DC преобразователь показал себя вполне пригодным и удобным устройством, но с важным замечанием: гарантированной долговременной мощностью можно считать только величину 50 Вт; а более высокие мощности, вплоть до обещанных 200 Вт, он может отдать только в импульсном режиме (несколько секунд).

В качестве плюсов преобразователя надо отметить:

- высокую мощность;

- высокий КПД;

- наличие радиатора, улучшающего температурные режимы силовых элементов (кроме индуктивности);

Не обошлось и без пары недостатков:

- уровень выходных пульсаций, который может быть выше допустимого для чувствительной аппаратуры;

- относительно высокий уровень напряжения запуска преобразователя (6 В), что делает невозможной его работу от односекционных литий-ионных аккумуляторов.

Теоретически, можно нижний предел входных напряжений чуть понизить (на 0.8 В), если запитать микросхему FP5139 напрямую от входного напряжения (если оно гарантированно не будет превышать 15 В, допустимых для этой микросхемы). Но проблему питания от односекционных литиевых аккумуляторов это не решит.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $4 с учётом доставки (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.
 18 декабря 2023 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!