Обзор

Повышающий DC-DC преобразователь со встроенным вольтметром мощностью 75 Вт на LTC1871

     Оглавление:

   1. Внешний вид и технические характеристики повышающего DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Предисловие

Обзор посвящен относительно мощному (до 75 Вт в зависимости от режима) повышающему DC-DC преобразователю с вольтметром, позволяющим контролировать входное и выходное напряжение. Преобразователь способен отдать выходной ток до 6 А при напряжении до 35 В (при условии, что входной ток не будет превышать 9 А).

(Изображение с Алиэкспресс, кликнуть для увеличения)

Преобразователь основан на микросхеме LTC1871, которая предназначена для работы совместно с внешним силовым транзистором, и потому, при выборе "сильного" транзистора 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 $4.5 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 со встроенным вольтметром

Устройство поставляется в виде комплекта, в который входит плата в сборе, немного крепежа и общий радиатор для силового транзистора и выходного диода Шоттки:

Прилагаемый радиатор имеет клейкий слой с защитной плёнкой. Перед запуском преобразователя в работу плёнку надо снять, а радиатор наклеить на транзистор и диод Шоттки (фото будет далее).

На верхней половине платы расположен собственно сам DC-DC преобразователь, а на нижней - вольтметр с парой кнопок управления. Микроконтроллер, управляющий цифровым индикатором вольтметра, расположен прямо под индикатором и потому не виден.

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

На странице продавца отдельно уточняется, что встроенный вольтметр работоспособен только при входном напряжении 4 В и выше; при более низких напряжениях ему не хватает питания (хотя сам DC-DC преобразователь может при этом продолжать работать; напряжение его старта будет проверено в тесте).

Надо заметить, что наиболее мощные по выделяемому теплу элементы (транзистор и диод Шоттки) не имеют датчиков температуры, и потому фактически не имеют защиты от перегрева. Защита от перегрева может быть осуществлена правильным выбором режима работы и, возможно, установкой более совершенного радиатора, чем комплектный.

Так выглядит преобразователь после наклейки радиатора и подключения питания:

Типовую схему преобразователя можно найти в datasheet LTC1871 (синоним LTSX).

Рассмотрим детально плату и кратко разберём её схемотехнику:

Теперь пройдёмся по пунктам.

1. Входное напряжение поступает на синий клеммник слева. Рядом с ним расположен небольшой чёрный прямоугольник - это диод защиты от переполюсовки питания. Впрочем, при достаточно большой мощности источника питания этот диод может сгореть, ничего не защитив. :)

2. Правее диода расположен 10-ногий чип с маркировкой LTSX. Так обозначена применённая модификация микросхемы LTC1871 (расшифровка обозначений есть в datasheet на микросхему).

3. Почти в центре платы расположен силовой MOSFET-транзистор AOD4184A с пониженным сопротивлением в открытом состоянии (менее 9.5 миллиОм). Максимальный ток 50 А, максимальное напряжение 40 В.

4. Справа от транзистора расположена точно такая же по форме деталь, но иная по содержанию. Это - диод Шоттки SD1040CS (напряжение до 40 В, постоянный ток 5 А, импульсный ток 100 А). Обратим внимание на величину тока (5 А): она отличается от того, что обещано на странице товара (6 А).

5. Вблизи левого верхнего угла расположен многооборотный подстроечный резистор установки выходного напряжения. Регулировка с его помощью - достаточно плавная; можно без проблем установить нужное напряжение с точностью 0.1 В.

6. Электролиты 470 мкФ 35 В по входу и выходы запараллелены керамическими конденсаторами, как и положено по канонам импульсной техники.

7. Кнопка справа от индикатора при коротком нажатии переключает показания со входного на выходное напряжение и обратно. При длительном нажатии вольтметр входит в режим калибровки (требует применения внешнего вольтметра высокой точности).

Для калибровки надо кнопками справа и слева от вольтметра уравнять его показания с показаниями внешнего прибора.

8. Кнопка слева от индикатора включает и выключает индикацию показаний вольтметра.

9. Над кнопками расположены красные светодиоды, обозначенные "IN" и "OUT". Они подсказывают, какое именно напряжение сейчас отображается на индикаторе - входное или выходное.

10. И, наконец, в левом верхнем углу чуть левее подстроечного резистора расположен светодиод Power, который просто-напросто показывает, что на преобразователь подано напряжение питания.

В заключение этой главы - вид печатной платы с обратной стороны:

На плате очень большая площадь "залита" проводником земли, что в высшей степени одобряем.

Вот теперь переходим к тестам.

Тестирование повышающего DC-DC преобразователя со встроенным вольтметром

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

При выключенном индикаторе напряжения в зависимости от входного напряжения потребляемый ток составил:

5 В - 11.7 мА;

12 В - 7.4 мА;

30 В - 6.7 мА.

При включенном индикаторе напряжения потребление возрастало на 4.8 мА.
 

2. Температурные режимы повышающего DC-DC преобразователя

Температурные режимы проверялись без приклейки на преобразователь радиатора, чтобы посмотреть через тепловизор, что и как там греется.

В качестве входного напряжения было выбрано 12 В, как один из типовых случаев (питание от стандартного автомобильного аккумулятора 12 В).

Первое испытание - 36 Вт на выходе: входное напряжение 12 В, выходное напряжение 24 В, ток выхода 1.5 А (ток входа составил 3.28 А).

Теплоснимок в установившемся тепловом режиме:

Наиболее нагретые элементы - силовые: дроссель, MOSFET и диод Шоттки. Дроссель нагрелся чуть выше других элементов (до 65.8 градусов), но такая температура ни для одного из элементов не представляет опасности.

Второе испытание - более жесткое, 72 Вт на выходе: входное напряжение 12 В, выходное напряжение 24 В, ток выхода 3 А (ток входа составил 6.78 А).

Здесь нагрев оказался более серьёзным; самым тёплым оказался MOSFET - он прогрелся до 95.6 градусов. Формально это тоже не опасно для аппаратуры, но при испытаниях плата располагалась на открытом пространстве; а в реальной жизни плата может располагаться в тесном месте с плохим проветриванием; и тогда температура может стать опасной.

Что касается работы в предельном режиме (120 Вт), то она тоже возможна, но в качестве постоянного режима не рекомендуется.

Испытание в этом режиме проводилось при входном напряжении 20 В (ток входа 6.39 А) и выходном напряжении 27 В (ток выхода 4.5 А, мощность в нагрузке 121.5 Вт).

Теплоснимок:

Температуру MOSFET-а и диода Шоттки по такому снимку определить нельзя (они закрыты радиатором); но, судя по температуре дросселя, их температура тоже должна быть очень высокой.

Этот тест проводился с прикреплённым радиатором, в ином случае даже кратковременное включение в таком режиме было бы опасно.

В тоже время нельзя рассчитывать на радиатор как на панацею, так как он прикрепляется не к металлической, а пластиковой части греющихся элементов, что ухудшает условия теплоотвода. Но лучше уж так, чем совсем никак.

Дополнительно на всех теплоснимках надо обратить внимание на то, что температура электролитического конденсатора на выходе заметно выше, чем температура конденсатора на входе. Это вполне объяснимо, так как электролит на выходе постоянно находится в работе по сглаживанию пульсаций выходного напряжения; в то время, как электролит на входе лишь немного помогает внешнему источнику питания.

Иными словами, если добавить на выход преобразователя дополнительные электролитические конденсаторы, то это поможет работе устройства в целом и разгрузит перенапряженный электролит на плате преобразователя.
 

3. Пульсации выходного напряжения

Осциллограммы пульсаций снимались в режимах работы преобразователя 36 Вт и 72 Вт, вот они:

По осциллограммам видно, что уровень как самих пульсаций, так и "звона" на фронтах импульсов преобразователя, довольно высок. При работе с высокой выходной мощностью имеющихся на борту конденсаторов будет не достаточно для подавления помех на выходе.

Причём, "звон" был не только виден на осциллограмме, но в некоторых режимах даже был слышен в работающем рядом FM-приёмнике. То есть, образовывал ощутимый уровень излучения в радиодиапазоне.

Мораль: если от этого преобразователя планируется питать аппаратуру с высокой чувствительностью к помехам по питанию, то необходимо позаботиться о дополнительных фильтрах со стороны преобразователя или питаемой им аппаратуры. В первую очередь потребуется нарастить ёмкость электролитов на выходе преобразователя. Возможно, потребуется даже заключить преобразователь в металлический корпус, экранирующий излучение.

И, для порядка, посмотрим на осциллограмму работы преобразователя в точке соединения MOSFET-а с индуктивностью:

Здесь всё гладенько и чисто, классика!
 

4. Зависимость КПД повышающего DC-DC преобразователя от тока нагрузки

Эта зависимость в принципе довольно очевидна (чем выше ток, тем ниже КПД), и в этом пункте только проверим эту зависимость в данном конкретном преобразователе.

Причины падения КПД при повышении тока - ухудшение условий работы полупроводников и повышение сопротивления печатных проводников и моточных изделий из-за повышения температуры.

Напряжение на входе - 6 В, на выходе - 12 В. Результаты представлены в таблице:

Падение КПД при повышении тока можно оценить как относительно небольшое.
 

5. Разное

Включение преобразователя происходит при входном напряжении 2.7 В; но вольтметр преобразователя при этом напряжении ещё не включается (не хватает питания для его микроконтроллера).

Вольтметр включается при входном напряжении 4 В, но индикатор светится при этом очень слабо. Яркость свечения нормализуется при напряжении питания 5 В и выше.

Максимальное напряжение на выходе удалось установить на уровне 36 В. Может быть, можно установить и больше, но электролитический конденсатор на выходе имеет номинальное напряжение 35 В, и дальнейшее повышение напряжения опасно для его здоровья и жизни.

Минимальное напряжение на выходе равно напряжению питания преобразователя.

Ограничение тока по входу срабатывает на уровне около 8-9 А; в связи с чем получить от низковольтного источника высокую мощность на выходе преобразователя не получится, даже если источник может отдать очень высокий ток: он не будет востребован.

На этом можно перейти к окончательному диагнозу.

Окончательный диагноз повышающего DC-DC преобразователя на LTC1871 со встроенным вольтметром

Протестированный повышающий DC-DC преобразователь с вольтметром показал себя вполне пригодным и удобным устройством с минимальными замечаниями.

В качестве плюсов преобразователя надо отметить:

- высокую мощность;

- высокий КПД;

- наличие в комплекте радиатора, улучшающего температурные режимы преобразователя;

- наличие встроенного вольтметра, позволяющего контролировать как входное, так и выходное напряжение.

Не обошлось и без пары недостатков:

- высокий уровень выходных пульсаций, что может потребовать подключения дополнительных электролитических конденсаторов к выходу преобразователя;

- встроенный вольтметр не полностью функционален при работе преобразователя от односекционного литий-ионного аккумулятора. Рабочий диапазон напряжений большинства литий-ионных аккумуляторов от 3.2 до 4.2 В; в то время, как вольтметр начинает работать только при напряжении от 4 В (что соответствует уровню заряда аккумулятора 80%).

В качестве рекомендации можно посоветовать соблюдать исторически сложившуюся и рекомендованную для повышения надёжности традицию: использовать преобразователь по максимально-допустимым параметрам не более, чем на 75-80%.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $4.5 (~300 российских рублей) 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.
 28 ноября 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!