Исследуем работу понижающего синхронного DC-DC преобразователя и делаем полезные выводы

Обзор будет посвящён практическому исследованию свойств DC-DC преобразователей синхронного типа на примере малогабаритного, но довольно сильного понижающего преобразователя (ток выхода заявлен до 3 А). Кстати, наиболее распространены именно понижающие синхронные DC-DC преобразователи, так как в повышающих преобразователях применение такого принципа работы требует серьёзного усложнения схемы без существенного повышения эффективности.

Также в статье попытаемся ответить на вопрос, почему синхронные DC-DC преобразователи, несмотря на всю прогрессивность архитектуры, так и не стали доминирующим типом устройств данного класса; хотя и нашли свою незаменимую нишу.

Принцип работы синхронных DC-DC преобразователей

Идея работы синхронных преобразователей предельно проста.

«Обычные» понижающие DC-DC преобразователи имеют в схеме выпрямительный диод, через который на выход передаётся ток в «правильной» полярности и отрезается ток «неправильной» полярности. Так выглядит типовая упрощённая схема «обычного» преобразователя с диодом:

В схеме преобразователя с синхронным выпрямителем (сокращённо они именуются синхронными преобразователями) всё то же самое, но диод заменён на транзистор типа MOSFET в ключевом режиме, который в нужные моменты времени с помощью внешнего управления замыкается, а в остальные — размыкается. Так выглядит упрощённая схема такого преобразователя:

Итак, в чём же преимущества синхронного DC-DC преобразователя?

Преимущества определяются отличием MOSFET-а от диода (когда они находятся в открытом состоянии).

Диод имеет некоторый порог открытия (около 0.6 В для обычных диодов и 0.15 В для диодов Шоттки). Это напряжение просто пропадает зря, ухудшая КПД системы.

Ключ на основе MOSFET-ов, в отличие от диодов, порога пропускания тока не имеет; в открытом состоянии он ведёт себя как резистор с очень малым сопротивлением (от единиц до нескольких десятков миллиом).

Вот почему наиболее эффективна такая схема при малых выходных напряжениях и относительно небольших токах (чаще всего — до нескольких ампер).

Но эти преимущества не всегда работают в полную силу.

При больших выходных напряжениях потеря 0.15 В на диоде уже не будет иметь какого-то критичного значения.

Также и при больших выходных токах традиционные схемы на диодах Шоттки очень неплохо работают; так как, начиная с напряжения их открытия (0.15 В), их вольт-амперная характеристика круто взмывает вверх; в то время как у MOSFET-ов она почти не отличается от обычных резисторов (линейно нарастает).

Еще одно преимущество синхронных DC-DC преобразователей — всю их схему можно разместить в одном чипе (для относительно небольших токов), в то время как более-менее мощный диод Шоттки (для таких же токов) должен быть внешним элементом обвязки.

С теорией разобрались, переходим к практике!

Внешний вид и технические характеристики тестируемого синхронного DC-DC преобразователя

Тестируемый синхронный преобразователь основан на микросхеме MP2315 и выполнен в виде миниатюрной платы:

Размеры платки — 21*11*6 мм, она легко помещается на кончике мизинца (!).

Основные характеристики преобразователя таковы:

К этому надо добавить наличие возможности управления включением/выключением преобразователя.

Что касается защиты, то у преобразователя нет других важных защит: от переполюсовки питания и от превышения допустимого напряжения питания. То есть, ошибаться с полярностью питания и его напряжением нельзя ни разу!

Чтобы изучить конкретную реализацию преобразователя в данном случае, рассмотрим детально плату сверху и снизу.

Почти в центре расположена индуктивность 4.7 мкГн — самый крупный элемент на плате.

Слева от него — микросхема MP2315 с обозначением на корпусе IAGCM (почему именно так — не спрашивайте!).

Справа от индуктивности — пара относительно крупных керамических конденсаторов. Их ёмкость — по 22 мкФ (но это может быть не точно, так как замер производился без выпайки из платы).

Верхний ряд резисторов служит для выбора напряжения выхода из числа наиболее ходовых.

В левом верхнем углу — подстроечный резистор, с помощью которого можно установить требуемое выходное напряжение путём плавной регулировки. Эта регулировка активна «по умолчанию».

Второй вариант регулировки — выбор напряжений из списка фиксированных значений. Чтобы выяснить, как она работает, посмотрим на обратную сторону платы:

Чтобы перейти от плавной регулировки выходного напряжения к фиксированной, необходимо процарапать дорожку металлизации рядом с обозначением ADJ, а затем паяльником замкнуть контактную площадку рядом с обозначением необходимого напряжения (список — вполне исчерпывающий, приведены самые популярные напряжения).

Здесь же обозначено назначение контактов для внешних подключений (символ «Земли» — GND — изображен зеркально по вертикали).

Здесь же обозначено и наименование платы — HW-613.

Технические испытания платы синхронного понижающего DC-DC преобразователя

Самый интересный вопрос — это возможность получить от преобразователя максимальный заявленный ток.

Все тесты проводились с подключением к выходу преобразователя мощного резистора 3 Ом. Ток через резистор изменялся путём регулировки выходного напряжения.

Такой метод тестирования не исчерпывает все возможные комбинации входных и выходных параметров, но общие закономерности в работе преобразователя выявить позволяет.

При тестировании применялся тепловизор InfiRay T2S Plus с ручной регулировкой фокусировки, что позволило сделать тепловые снимки столь малой платы крупным планом.

Итак, первый тест: вход 12 В, выход 9 В, ток выхода 3 А. Через несколько секунд работы выходное напряжение «сорвалось» — преобразователь ушел в защиту из-за перегрева. Но отрицательный результат в данном случае тоже полезен: подтверждена успешная работы защиты от перегрева.

Следующий тест — с током выхода 2.5 А. Здесь преобразователь перед уходом в защиту продержался несколько минут, благодаря чему удалось сделать тепловой снимок перед срабатыванием защиты:

Корпус микросхемы разогрелся почти до 129 градусов. Но надо обратить внимание, что и индуктивность тоже нагрелась весьма значительно: почти до 80 градусов! То есть, она тоже является источником потерь и снижения КПД.

Последний фактор усугубляется тем, что обмотка индуктивности при нагреве увеличивает сопротивление, что ещё больше способствует снижению КПД.

Устойчивой работы преобразователя удалось добиться при токе выхода 2 А или менее. Корпус микросхемы нагрелся до 120 градусов, но защита уже не срабатывала:

Тем не менее, и такой режим нельзя рекомендовать для длительного применения. Если, например, конструкция будет находиться в тесном корпусе, да ещё по соседству с другими источниками тепла, то перегрев будет весьма вероятным.

Следующий тест — при токе выхода 1.5 А.

Корпус микросхемы нагрелся до гарантированно безопасных 72 градусов, индуктивность — до 60 градусов:

Пожалуй, работу с таким током можно рекомендовать как бесконечно долгую.

И, наконец, проверяем работу преобразователя при токе 1 А. Вот здесь наступает полный гламур:

Корпус микросхемы нагрелся всего лишь до жалких 53 градусов, а индуктивность — до 46 градусов.

Далее — разбираемся с пульсациями выходного напряжения.

Осциллограмма пульсаций при токе выхода 1 А:

Пульсации уложились в 20 мВ (пик-пик), что очень даже неплохо.

Теперь — осциллограмма пульсаций при токе выхода 2 А:

Пульсации ожидаемо выросли примерно в 2 раза, что вполне допустимо и в целом неплохо.

При желании или необходимости пульсации можно додавить электролитическими конденсаторами на стороне питаемого устройства.

Для проформы посмотрим осциллограмму напряжения в точке соединения индуктивности с чипом при токе выхода 2 А (ноль смещен на 2 деления вниз):

Здесь — «классика жанра»: почти идеальные прямоугольные импульсы. Частота (516 КГц) оказалась очень близка к заявленной в технических характеристиках (500 КГц).

Осталось только разобраться с КПД, и миссия — выполнена!

КПД рассчитан для четырёх режимов.

КПД при токе выхода 2.5 А составил 89%.

КПД при токе выхода 2 А — 91%.

КПД при токе выхода 1.5 А — 93%.

КПД при токе выхода 1 А — 93%.

Формально КПД для всех режимов получился высоким и соответствующим ожидаемому. Но при этом надо помнить, что элементы на плате не имеют никакого дополнительного теплоотвода, и потому рассеяние на плате даже 10% потребляемой мощности приводит к высокому нагреву микросхемы и индуктивности (что и было видно на тепловых снимках).

В заключение этой главы — проверка потребления платы преобразователя на холостом ходу. Оно составило всего лишь 230 мкА.

Итоги и выводы, область применения, рекомендации

Данный преобразователь протестирован в качестве типового понижающего синхронного маломощного DC-DC преобразователя с целью выявить общие закономерности в работе устройств с подобной схемотехникой.

Как и ожидалось, преобразователь показал себя в высшей степени позитивно, но его применение требует разумного и осторожного подхода.

В частности, ни в коем случае не стоит пытаться его эксплуатировать при токах, близких к максимально-допустимому: быстро сработает защита от перегрева и Ваша схема окажется неработоспособной.

Максимально-допустимый ток можно рассматривать, лишь как возможный в течение короткого промежутка времени (до нескольких секунд).

Для стабильной долговременной работы следует выбирать режим с током выхода примерно до 0.5 от величины заявленного максимально-допустимого значения. В этом случае гарантированы высочайший КПД, малый нагрев, и, как следствие, высокая надёжность!

В плане сравнения с «обычными» преобразователями (с диодным выпрямлением), наиболее выгодно применение синхронных преобразователей при работе с малыми выходными напряжениями (условно 5 В и ниже).

Примером практического применения синхронных преобразователей для формирования низких напряжений могут служить схемы питания процессоров на современных материнских платах. Они формируют напряжения около 1 В, и, при применении вместо синхронных преобразователей добрых старых преобразователей с диодами (даже Шоттки) материнские платы превращались бы в печки. Разве что, из-за огромных токов потребления, применяются не одиночные синхронные преобразователи, а многофазные (до нескольких десятков).

Что касается КПД синхронных преобразователей и преобразователей с диодами, то для обоих вариантов преобразователей разницу их КПД сближает потеря энергии на нагрев индуктивности. Эта потеря не будет зависеть от типа преобразователя, но будет зависеть от других параметров: частоты преобразования (в типовом случае больше — лучше) и качества самой индуктивности (вот с этим угадать сложно, так как обычно не видно, сколько витков и каким проводом там намотано; а тем более не ясно и качество магнитопровода).

Основная область применения протестированного и ему подобных маломощных синхронных преобразователей — замена линейных стабилизаторов напряжения (знаменитых КРЕН-ок и буржуйских стабилизаторов 78xx). Здесь синхронные преобразователи будут работать идеально, если нет каких-то сверхстрогих требований по пульсациям или радиоизлучению.

Купить протестированный синхронный DC-DC преобразователь можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца (а также и у многих других). Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

При тестировании преобразователя использовалась следующая аппаратура:

— Тепловизор InfiRay T2S Plus (обзор);

— Осциллограф с автономным питанием Fnirsi-1013D (обзор);

— Мультиметр Aneng V8 (обзор).

Всем спасибо за внимание!