Обзор

Маломощный повышающий двухполярный DC-DC преобразователь с симметричными выходными напряжениями - тест и обзор

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

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Предисловие

Обзор посвящен двухполярному DC-DC преобразователю малой мощности с симметричными выходами с выходной мощностью примерно до 0.25 Вт по каждому плечу.

(кликнуть для увеличения)

Преобразователь работает с фиксированными выходными напряжениями, которые можно выбирать при заказе преобразователя из следующих значений: ±5 В, ±6 В, ±9 В, ±12 В, ±15 В, ±24 В.

Преобразователь является повышающим, то есть для корректной работы входное напряжение должно быть ниже выходного.

Протестирован будет преобразователь с минимальным напряжением из приведённого ряда, на ±5 В.

Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс  здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - $2.5 (в дальнейшем может меняться).

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

Внешний вид и схемотехника двухполярного DC-DC преобразователя

Устройство представляет собой миниатюрную бескорпусную плату. Вид тестируемого преобразователя сверху:

Габариты платы - очень небольшие: 25*16*7 мм.

Несколько слов о схемотехнике преобразователя.

Основной элемент на плате - чип повышающего DC-DC преобразователя XL6007E1 фирмы XLSEMI (datasheet XL6007, XL6007E1, PDF 170 KB).

На входных и выходных напряжениях висят по паре запараллеленых керамических конденсаторов. Это хорошо, но мало: datasheet требует, чтобы и электролиты тоже были (по 47 мкФ).

Одиночный конденсатор вверху платы используется для создания отрицательной полярности.

Все диоды на плате - диоды Шоттки SS34 (3 А, 40 В), что полезно для снижения потерь (малое падение напряжения в прямом направлении).

Два SMD-резистора образуют делитель в цепи обратной связи, задающий выходное напряжение преобразователя. Теоретически, поменяв их номиналы, можно поменять и напряжение на выходе; но пайка SMD-элементов - дело тонкое и кропотливое (не для всех).

Штатную схему подключения чипа XL6007E1 в качестве повышающего преобразователя можно посмотреть в datasheet (ссылка - выше); а расширенную схему с двухполярным преобразованием, применённую в тестируемом устройстве, можно изучить на следующей схеме:

Примечания:
   1. Электролита 47 мкФ на плате нет.
   2. Реальный номинал R1 - 2 кОм, R2 - 6.2 кОм.
   3. Кроме верхнего (на схеме) конденсатора, все конденсаторы состоят из двух параллельных керамических конденсаторов.

Напряжение обратной связи берётся с положительного плеча (т.е. на положительном плече стабилизируется), а на отрицательном плече напряжение формируется по принципу зеркального отражения без стабилизации (по принципу "что вышло, то вышло").

Особенность схемы состоит в том, что напряжение положительной полярности формируется штатным образом (с помощью индуктивности), а напряжение отрицательной полярности - с помощью диодно-ёмкостной схемы.

Из этого проистекает принципиальное наличие небольшого разбаланса в схеме при равной нагрузке на положительное и отрицательное плечо. Он возникает из-за того, что потери напряжения на диодах будут разными: для положительного плеча - только на одном диоде, а для отрицательного - на двух. Поскольку прямое падение на диодах Шоттки составляет всего лишь около 0.15 - 0.2 В (в зависимости от нагрузки), разбаланс будет небольшим.

Вид платы снизу:

Здесь всё нормально, максимальная площадь металлизации занята проводником "земли".

Жирной синей точкой обозначено номинальное напряжение выхода данной платы.

Теперь переходим к тестам.

Тестирование маломощного биполярного DC-DC преобразователя с симметричными выходными напряжениями

Поскольку, согласно datasheet, минимальное напряжение питания платы 3.6 В, а максимальное не должно превышать напряжение выхода (5 В), то в целом для тестируемой платы номинальный диапазон рабочих напряжений получается довольно узким (3.6 - 5 В). Но реальный диапазон тоже будет проверен.

Начнём с проверки максимальной допустимой нагрузки. Напряжение входа 3.6 В.

При подключении на каждое из плеч резисторов 24 Ом (ток нагрузки 208 мА) форма напряжения на выходе оказалась волнистой сверх разумной меры:

В ходе дальнейших экспериментов было установлено, что гарантировано прямая линия (без учета пульсаций с частотой преобразования) на выходе получается при сопротивлении нагрузки в каждом плече 100 Ом или более. С этой нагрузкой и будут проводиться последующие тесты.

Осциллограмма напряжения на точке соединения микросхемы DC-DC преобразователя с индуктивностью представляет собой классические прямоугольные импульсы  ШИМ (широтно-импульсной модуляции):

Частота ШИМ близка к 400 кГц, что соответствует указанной в datasheet.

Форма пульсаций в канале положительного напряжения и отрицательного - разная.

Так выглядят пульсации положительного напряжения:

Теперь - они же, но в растянутом по горизонтали виде:

Теперь посмотрим на пульсации в отрицательном канале:

В обоих каналах пульсации - высокочастотные, и при необходимости могут быть легко подавлены внешними электролитическими конденсаторами.

Далее - контроль потребляемых токов и выходных напряжений на холостом ходу, при симметричной и несимметричной нагрузке.
 

Сначала - холостой ход, напряжение питания 3.6 В.

Ток потребления - 4.3 мА, напряжение "+" плеча +5.199 В; напряжение "-" плеча -5.217 В.

Эта информация может пригодиться на случай применения преобразователя с очень слабой нагрузкой.
 

Симметричная нагрузка 100 Ом в каждом плече, напряжение питания 3.6 В.

Ток потребления - 168 мА, напряжение "+" плеча +5.197 В  ; напряжение "-" плеча -4.765 В; КПД=83%.

В этом тесте подтвердилось, что напряжение отрицательного плеча при симметричной нагрузке должно быть немного ниже, чем положительного плеча.
 

Несимметричная нагрузка: 100 Ом в положительном плече, нет нагрузки в отрицательном плече, напряжение питания 3.6 В.

Ток потребления - 91.3 мА, напряжение "+" плеча +5.196 В  ; напряжение "-" плеча -5.562 В; КПД=82%.

При отсутствии нагрузки на отрицательном плече напряжение на нём оказалось выше, чем на положительном.
 

Несимметричная нагрузка: 100 Ом в отрицательном плече, нет нагрузки в положительном плече, напряжение питания 3.6 В.

Ток потребления - 77.3 мА, напряжение "+" плеча +5.198 В  ; напряжение "-" плеча -4.654 В; КПД=78%.

Когда нет нагрузки на положительном плече, напряжение на отрицательном может оказаться значительно ниже номинала (5 В).
 

Определение верхнего и нижнего порогов работоспособности двухполярного DC-DC преобразователя.

Тест проводился с нагрузкой 100 Ом в каждом плече.

Критерием потери работоспособности был срыв выходных напряжений преобразователя (значительное отклонение от номинала).

Нижний порог работоспособности оказался 2.85 В, верхний порог 5.17 В (но есть нюанс касательно верхнего предела, о нём - далее).
 

Нюанс: возникновение "медленных" пульсаций при приближении напряжения питания к выходному напряжению

В ходе проверки верхнего и нижнего порогов работоспособности преобразователя неожиданно выяснилось, что при приближении входного напряжения к верхнему пределу работоспособности устройства на выходе возникают "медленные" пульсации с частотой около 19 кГц. В тестируемом преобразователе они появлялись при напряжении входа выше 4.2 В; далее приведена осциллограмма при входном напряжении 4.4 В:

Размах "медленных" пульсаций значительно превысил размах "быстрых" (с частотой преобразования).

Так что примерно можно считать, что они возникают при напряжении питания, равным или выше 80% напряжения на выходе. Это  - ещё одно ограничение для случаев, когда уровень пульсаций критически важен. Подавить такие пульсации электролитическими конденсаторами можно, но из-за их "медлительности" это должны быть очень большие конденсаторы.

На этом можно перейти к окончательным итогам.

Окончательный диагноз повышающего маломощного двухполярного DC-DC преобразователя с симметричными выходными напряжениями

Протестированный двухполярный DC-DC преобразователь нельзя назвать техническим совершенством, но свою сферу применения он найдёт.

Главные его преимущества - очень малые габариты, низкая цена и вполне благопристойная работа, если не пытаться выйти за рамки ограничений.

Вот теперь надо сказать и об ограничениях. Их будет несколько, поэтому можно их даже пронумеровать:

1. Для преобразователя противопоказана работа с нагрузкой только на отрицательное плечо: напряжение на нём не участвует в цепи обратной связи и потому может сильно просесть относительно номинала. Хотя, если высокая стабильность выходного напряжения в каких-то случаях не очень важна, то можно использовать преобразователь и в качестве источника отрицательного напряжения.
   Но наилучший вариант работы, всё-таки, с нагрузкой на оба плеча или только на положительное плечо (хотя в последнем случае можно использовать и просто обычный однополярный DC-DC преобразователь).

2. Диапазон питающих напряжений довольно жестко ограничен как снизу, так и сверху. Хотя в тесте получился нижний порог в 2.85 В, гарантировать его для всех экземпляров преобразователя во всём диапазоне температур, естественно, нельзя. Рекомендуется за нижний порог брать "официальную" величину в 3.6 В.
   Что касается верхнего порога питающего напряжения, то он зависит от допустимого уровня пульсаций. Если они существенного значения не имеют, то можно взять за верхнюю границу выходное напряжение преобразователя.
   Если же уровень пульсаций - критичен, то тогда за верхнюю границу питания лучше взять 80% от выходного напряжения преобразователя.

3. На плате преобразователя нет электролитических конденсаторов, рекомендуемых согласно datasheet на чип XL6007. Настоятельно рекомендуется их установить как со стороны входа, так и со стороны выходов обеих полярностей.

4. Мощность выходов, при которых возможна стабильная работа преобразователя, не велика, около 0.5 Вт суммарно по двум полярностям.

Если требуется более высокая мощность или более широкий диапазон входных напряжений, то можно рассмотреть другой биполярный DC-DC преобразователь (обзор).

Купить протестированный преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь; а также и у многих других продавцов.  Цена на дату обзора - около $2.5.

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

Осциллограммы в обзоре снимались с помощью цифрового осциллографа Hantek DSO5102P.

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

  Ваш Доктор.
 09 апреля 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!