Лабораторный блок питания на ладони: обзор понижающего DC/DC-преобразователя с настройкой и измерением выходного напряжения и тока

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Обзор | Корпуса, БП, ИБП, корпусное охлаждение, сетевые фильтры

В обзоре речь пойдёт о маломощном понижающем DC-DC преобразователе (постоянного тока в постоянный), который может почти полноценно заменить лабораторный блок питания в тех ситуациях, когда от него не требуется высокая выходная мощность.

Этот преобразователь имеет все типовые функции лабораторного блока питания: регулировку напряжения выхода, регулировку ограничения тока выхода, цифровую индикацию выходного тока и напряжения.

Несмотря на столь широкую функциональность, преобразователь очень мал по габаритам: он вполне помещается на ладони, и ещё свободное место для пары таких же преобразователей остаётся.

В статье будет разобрана его конструкция и схемотехника, а также проведены необходимые тесты и определены ограничения в работе.

Основные технические характеристики понижающего DC-DC преобразователя с контролем тока и напряжения
Диапазон допустимого входного напряжения 6 - 38 В
Диапазон регулировки выходного напряжения 1.25 - 36 В (строго ниже входного)
Ток выхода 0 - 5 А
Выходная мощность До 75 Вт, КПД до 95% (зависит от режима)
Защита От превышения тока, от перегрева, от короткого замыкания
Защита от переполюсовки питания Нет (возможна установкой внешнего диода)
Габариты 51.7 * 26.2 * 22.5 мм (51.7 * 26.2 * 14 мм без платы измерения)

Габариты в таблице приведены не из официальных данных, а по данным собственных измерений.

К этому надо добавить, что по своей сути преобразователь является вторичным источником питания; напрямую к сети его подключать нельзя: необходим первичный источник питания, выдающий выпрямленное постоянное напряжение. При этом первичный источник не обязательно должен быть стабилизированным: это может быть даже древний трансформатор с выпрямителем, если он отвечает допустимым параметрам преобразователя по входному напряжению и потребляемому току.

Конструкция и схемотехника DC-DC преобразователя

Тестируемый преобразователь выполнен в виде двухэтажной конструкции, нижняя плата которой формирует выходное напряжение и определяет ограничение тока, а верхняя плата отвечает за измерение и индикацию тока и напряжения.

Посмотрим на устройство с одной из широких сторон:

Верхняя плата установлена на металлических стойках, и именно через них передаются с нижней платы измеряемые сигналы и питание. Никаких проводных или разъёмных соединений не используется.

Мораль: винты на стойках, соединяющих платы, должны быть закручены хорошо; "от всей души", можно сказать. :)

В верхней плате имеются отверстия для относительно тонкой отвёртки, чтобы можно было прикрутить или открутить винты клеммников на нижней плате.

Посмотрим с противоположной стороны:

На последнем фото видны два синих подстроечных резистора, отвечающих за регулировку напряжения и ограничения тока.

Интересно, что нижняя (основная) плата может работать автономно, без платы измерения (верхней), и цена изделия будет при этом примерно в 3 (!) раза меньше. Расплачиваться за это придётся удобством: контроль тока и напряжения придётся осуществлять с помощью внешнего мультиметра.

Два белых разъёма на верхней плате имеют, видимо, служебное назначение и используются производителем в процессе изготовления платы. Никаких инструкций для конечного пользователя по их применению нет.

Торцы устройства кажутся одинаковыми, но реально на одном из них расположены клеммники для входа, а на другом - для выхода. Не перепутайте!

Теперь снимем верхнюю плату и исследуем основную плату, на которой и расположен собственно преобразователь.

Понижающий DC-DC преобразователь основан на чипе XLSEMI XL4015E1.

Datasheet для этого чипа, правда, даёт несколько более узкий диапазон рабочих напряжений, чем заявил производитель преобразователя для своего изделия.

Производитель чипа заявляет диапазон входных напряжений 8...36 В, выходных 1.25...32 В. Рекомендуется придерживаться именно этих данных, чтобы не сгорело что-нибудь.

Но величина тока выхода  у производителя чипа и производителя преобразователя совпадает: до 5 А (хотя, как покажут испытания, в длительном режиме с таким током работать нельзя).

Частота преобразования чипа - 180 кГц.

Интересно, что ранее этот преобразователь выпускался на предшественнике чипа XL4015 - чипе XL4005.

В переходе на новый чип есть одна хорошая новость и одна, как водится, - плохая.

Хорошая новость: КПД повысился (ранее было остаточное напряжение (Drop Out) на чипе 0.6 В, а стало - 0.3 В).

Плохая новость: раньше чип мог формировать минимальное выходное напряжение 0.8 В, а теперь нижняя граница составляет 1.25 В (это - номинально, но есть ещё и разброс).

На плате в схеме преобразования установлен мощный дроссель и мощный диод Шоттки SS54 (5 А, 40 В).

На плате есть также три SMD-светодиода, индицирующих состояние и режим работы преобразователя.

Их назначение, а также назначение подстроечных резисторов показаны на следующем изображении:

К этой инструкции надо дать некоторые пояснения.

Во-первых, хотя на изображении упоминается возможность синего свечения светодиодов, на самом деле все они светят только красным светом.

Два нижних светодиода условно показывают наличие или отсутствие тока нагрузки. За эту условную величину принято (по результатом теста) 0.54 А. Если ток менее этой величины, то светится правый нижний светодиод; а если больше - то левый нижний.

Верхний светодиод индицирует режим стабилизации напряжения или режим ограничения тока (если светится, то преобразователь стабилизирует ток, а если нет - то напряжение).

Все эти светодиоды помогают определить, занят ли преобразователь полезным делом, и в каком режиме он работает; а в случае использования для зарядки аккумуляторов - идёт ли зарядка, или уже завершилась.

Кстати, благодаря регулировке тока и напряжения можно настроить преобразователь на зарядку многих типов аккумуляторов: никель-кадмиевых, свинцовых, односекционных и многосекционных литий-ионных аккумуляторов (для последнего случая число секций ограничено в пределах максимально-возможного напряжения выхода преобразователя).

Но при зарядке автомобильных аккумуляторов не пытайтесь выжать из преобразователя слишком высокий ток: это приведёт к длительной работе в предельном режиме, что может быть опасным для преобразователя. В общем, зарядить автомобильный аккумулятор можно, но это будет долго.

Обратная сторона платы:

Здесь, помимо печатных проводников, находится единственный резистор номиналом 0.05 Ом. Но он - очень важен: он отвечает за измерение и ограничение тока выхода в преобразователе.

Ещё важная деталь: он вставлен в разрыв проводника "земли".

В связи с этим при пользовании преобразователем нельзя замыкать друг с другом проводники "земли" со стороны входа и выхода устройства: это нарушит его работу в части регулировки ограничения тока.

Теперь пора перейти к тестам и сравнить ожидания с реальностью.

Тестирование понижающего DC-DC преобразователя с контролем тока и напряжения

Преобразователь - не прост, и потому будет тестироваться по двум критериям: по качеству работы преобразователя как такового и по точности формирования и измерения параметров (напряжения и тока).

Начнём с точности формирования и измерения параметров.

Вольтметр преобразователя работает с автоматическим переключением диапазона измерений: до 10 В показывает напряжение с запятой после первой цифры (цена деления получается 0.01 В), а при напряжении 10 В и выше - с запятой после второй цифры (цена деления - 0.1 В).

Теоретически можно было бы низкие напряжения устанавливать с точностью 0.01 В, но практически, даже при очень аккуратном вращении винта подстроечного резистора, не удаётся достичь такой точности установки. Реально получается с точностью 0.02 В; да и то, только после нескольких итераций.

Для напряжений 10 В и выше можно установить значение с точностью 0.1 В без проблем.

Аналогично и для тока: реально можно установить с точность 0.02 А (при этом помним, что точность установки и точность измерения - разные вещи).

Теперь - о точности измерения напряжения. Далее приведена таблица для нескольких значений выходного напряжения, измеренных встроенным вольтметром и, для сравнения, довольно неплохим мультиметром ANENG V8 (его показания принимаем за точные с разумной долей допуска).

Результат измерения выходного напряжения встроенным вольтметром, В Результат измерения выходного напряжения мультиметром, В Погрешность
1.22 1.293 5.6%
5.00 5.065 1.3%
12.0 12.13 1.1%
24.0 24.08 0.3%
30.0 30.02 0.07%

Из таблицы видно, что при низком напряжении (до 5 В) погрешность может быть существенной; а при более высоких напряжениях, в большинстве случаев, погрешностью можно пренебречь.

Теперь - аналогичная проверка точности измерения тока. Спойлер: здесь всё будет гораздо менее гламурно.

Результат измерения выходного тока встроенным амперметром, А Результат измерения выходного тока мультиметром, А Погрешность (с указанием знака)
0.02 0.075 -73%
0.22 0.278 -20.9%
0.64 0.643 -0.5%
2.83 2.580 +9.7%
5.60 4.952 +13.1%

Здесь погрешность измерения не только значительно больше, но она ещё и меняет знак при переходе через значение около 0.64 Ампера!

И, как вишенка на торте (в обратном смысле), ток ниже 0.075 А встроенный амперметр вообще "не видит" и показывает ровно ноль.

Проблема усугубляется тем, что никакой подстройки точности измерения в преобразователе нет.

Теперь проверяем КПД преобразователя.

КПД проверялся при нескольких разных комбинациях значений входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока. Напряжения и токи измерялись мультиметром.

Напряжение на входе, В Ток на входе, А Напряжение на выходе, В Ток на выходе, А КПД
6.3 0.094 1.29 0.278 61%
12 0.523 5 1.11 88%
24 1.44 12 2.71 94%
31.5 3.61 22 4.95 96%

Последний из экспериментов продолжался всего несколько секунд, так как, даже несмотря на высокий КПД, рассеиваемой мощности оказалось достаточно для адского разогрева чипа преобразователя с одновременным постепенным снижением выходного тока (возможно, срабатывала тепловая защита).

В целом данные по КПД соответствуют теории: при низких напряжениях на выходе слишком велика доля напряжения, падающая на чипе преобразователя и на выпрямительном диоде; и КПД в таких условиях работы сильно снижается.

Для режима, обозначенного в предпоследней строке таблицы, был дополнительно сделан тепловой снимок основной платы преобразователя (для этого верхняя плата, отвечающая за измерения, была временно снята):

На снимке видно, что даже в таком режиме, далёком от предельного, разогрев чипа преобразователя очень высок: почти до 100 градусов!

И лишь чуть прохладнее оказались выпрямительный диод и индуктивность.

К сожалению, никакой возможности для установки дополнительного теплоотвода в преобразователе не предусмотрено.

Теперь - осциллограммы пульсаций выходного напряжения.

Первая осциллограмма - при напряжении на выходе 5 В, токе выхода 1.11 А; вторая - при напряжении 12 В, тока 2.71 А:

В первом случае размах пульсаций составил около 100 мВ, во втором - около 200 мВ.

При питании от этого преобразователя аппаратуры, чувствительной к пульсациям, может потребоваться установка дополнительных конденсаторов (лучше всего - в комбинации керамических и электролитических конденсаторов).

В заключение тестов - о разном.

Включается и начинает работать преобразователь при входном напряжении 3.4 В. В этом случае можно работать с напряжениями на выходе 1.3 - 2 В; но при этом не работает режим стабилизации выходного тока.

Режим стабилизации выходного тока становится работоспособным при входных напряжениях от 6.3 В и выше. Лучше считать, для надёжности, что от 7 В.

Потребление на холостом ходу составляет 30-33 мА (немного меняется в зависимости от входного напряжения). Если снять плату измерения, то потребление снижается почти вдвое (на 17 мА).

Итоги и выводы, возможные области применения, рекомендации

В целом, несмотря на отдельные "шероховатости", протестированный DC-DC преобразователь получился интересным и весьма миниатюрным устройством.

Он вполне пригоден для замены маломощного лабораторного блока питания лишь с небольшим ограничением: "настоящие" лабораторные блоки питания могут формировать напряжения от нуля Вольт, а этот преобразователь - примерно от 1.3 В.

Кроме замены лабораторных блоков питания, преобразователь может заменить и зарядные устройства для аккумуляторов (важно не ошибиться с корректной установкой тока и напряжения заряда).

Можно его использовать также для питания светодиодных лент и других бытовых целей.

Не обойдётся и без критических замечаний.

Пожалуй, наиболее важное - недостаточная точность измерения выходного тока. Только в диапазоне примерно от 0.5 до 2.5 А точность можно считать приемлемой, а при выходе за эти пределы лучше ориентироваться на показания внешних приборов.

И не совсем удобно, что для регулировки напряжения и тока требуется инструмент (отвёртка). А ведь существуют в природе многооборотные подстроечные резисторы, подобные применённым в устройстве, но с длинными рельефными ручками, которые можно вращать без инструмента!

Рекомендации.

Рассмотренный преобразователь является вторичным источником питания, для которого требуется хотя бы самый простейший первичный источник постоянного напряжения.

Думаю, что с этим в большинстве случаев проблем быть не должно.

Если хорошо поскрести по сусекам, то обязательно в доме найдётся подходящий "первичный" источник питания: блок от ноутбука, сканера, принтера и т.п.

Кроме того, надо отметить, что хотя для преобразователя указан предельный ток 5 А, реально он в длительном режиме может отдать ток до 2.7 А (иначе - перегрев). А значение тока в 5 А следует рассматривать как допустимую нагрузку в импульсе до нескольких секунд.

Купить этот DC-DC преобразователь можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс, а также у многих других. Цена на дату обзора с доставкой - около 320 рублей, без платы измерения - 120 рублей. В дальнейшем цена может меняться в любую сторону, проверяйте актуальную цену!

Всем спасибо за внимание!

При тестировании преобразователя использовалось следующее оборудование:

- мультиметр ANENG V8 (обзор);

- осциллограф Fnirsi D1013 (обзор);

- тепловизор Uni-T 120 (обзор).

3 комментария

C
Очень странные измерения по напряжению и току:
Что мешало при измерениях по напряжению менять выходное с шагом 1.2-1.5В, а при измерении тока по 0.5?
Hans-Kristian
Можно наклеить радиатор сверху микросхемы или прилепить снизу платы. Но теплоотвод будет плохой, поскольку контактировать радиатор будет не с металлической подложкой чипа, а с пластиком. То есть, эффект будет на уровне «чуть лучше, чем ничего».
t
У стандартного модуля на XL4015 подстроечники с крутилками, направленными вверх. Здесь они бы оказались закрыты измерительной примочкой, поэтому применили другие подстроечники с крутилками, направленными вбок.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Ремонт старого фонарика

Записки разработчика
Многие сталкивались с проблемой, когда выключали свет, а фонарик сломался. Например, перегорели светодиодные лампы, или очень быстро садится аккумулятор. Я нашел замену, взял сломанный старый...

Индукционная мультиварка. Принцип работы, преимущества и недостатки

Рассуждения
Обычные мультиварки уже давно присутствуют практически на каждой кухне и для многих хозяек (и хозяев) стали незаменимой техникой для приготовления вкусной и полезной еды с минимальными затратами...

Вы хотели треша? Старый рынок в Хургаде!

Прочее
Рынок в самом центре старого центра египетской Хургады (этот район называется Дахар) производит на европейцев неизгладимое впечатление. Рынок состоит из нескольких строений и двора между...

Почему телефон разряжается на холоде и как сохранить его батарею

Рассуждения
Быстрая разрядка или отключение смартфона на холоде – общая проблема для жителей всех регионов, где температура в зимнее время опускается хотя бы ниже 10 градусов. В этом материале я кратко...

Аральское море: экологическая катастрофа из прошлого века

Рассуждения
Люди, отдаленно знакомые с историей, при упоминании термина «экологическая катастрофа» приведут первую возникшую ассоциацию – Чернобыль. Трагедия обернулась сотнями погибших, а радиация...

Кто грязнули? Почему американцы дома ходят в обуви, а в России принято ее снимать на входе

Рассуждения
Когда смотришь американские фильмы или ролики о жизни в США, в подсознании невольно возникает вопрос: почему же они в уличной обуви ходят по дому? США страна большая, с разными климатическими...