Понижающе-повышающий цифровой DC/DC-преобразователь XYS3580: тест, обзор, доработка

Обзор посвящен популярному DC-DC преобразователю (постоянного тока в постоянный) XYS3580 с функциональностью лабораторного блока питания. Но, главное, в материале будут раскрыты его конструктивные и схемотехнические проблемы, часть из которых будет успешно решена.

Конечно, называть его цифровым — не совсем правильно, так как он, разумеется всё-таки аналоговый; и правильнее его называть «преобразователь с цифровым управлением». Но для краткости он будет именоваться просто цифровым.

Подход к его доработке будет несколько иным, чем предлагали предыдущие исследователи этого интересного прибора.

Основные технические характеристики преобразователя XYS3580

К этому надо добавить краткий перечень основных возможностей преобразователя:

- Переход от стабилизации напряжения к стабилизации тока при достижении заданного порога по току (что и превращает преобразователь в лабораторный блок питания);

 — Защита от превышения допустимых напряжений входа и выхода, токов входа и выхода, температуры;

 — Сохранение в памяти до 10-ти предварительных настроек;

 — Индикация входного и выходного напряжения, выходного тока, температуры устройства;

 — Возможность изменения ориентации изображения на экране;

 — Подсчет переданной в нагрузку энергии в Ампер-часах и Ватт-часах;

 — Автоматическое включение вентилятора охлаждения при превышении тока в 1.5 А или температуры в 50 градусов.

Особенность: преобразователь, естественно, не может работать самостоятельно; для работы ему требуется первичный источник питания любого типа (стабилизированный, нестабилизированный, аккумулятор и т. д.).

К этому надо добавить, что функции автоматического включения и выключения вентилятора по результатам теста оказались с гистерезисом (и это — хорошо). Вентилятор включается при токе выхода 1.5 А, а выключается при токе 1.2 А. При срабатывании включения по порогу температуры вентилятор включается при 50 градусах, а выключается при 41.5 градусах.

Полного описания работы с преобразователем здесь не будет. Если это потребуется, то спросите у Яндекса «преобразователь XYS3580 инструкция на русском языке».

Внешний вид и конструкция преобразователя XYS3580

Преобразователь представляет собой полуоткрытую конструкцию, предназначенную для установки в приборную панель; но и «голым» его никто не запрещает применять.

Конструктивно преобразователь состоит из двух плат: первая — силовая, а вторая — управления и индикации. Силовая плата вставляется в плату индикации и удерживается там только с помощью разъёмов, имеющих относительно небольшое усилие соединения-разъединения. При работе в условиях вибрации настоятельно рекомендуется дополнительно чем-либо закрепить плату на своём месте.

Осматриваем силовую плату. Центральный элемент силовой платы — вентилятор с радиатором:

Здесь расположен клеммник для внешних соединений. Также хорошо заметны две индуктивности на кольцах (предположительно — сендастовых), каждая из которых намотана в два провода (уменьшение сопротивления).

Собственно, наличие двух индуктивностей — характерная черта классических понижающе-повышающих преобразователей, построенных по схемотехнике SEPIC.

Снимем вентилятор и радиатор и посмотрим, что там под ними?!

Под радиатором сразу видна проблема: он прижат к пластиковой стороне транзистора и диода! В таком конструктиве радиатор помогает теплоотводу лишь немногим лучше, чем мёртвому — припарки. :)

Эксперимент показал, что если снять радиатор и закрепить вентилятор на стойках так, чтобы он обдувал детали напрямую (без радиатора), то температура даже снижается на один градус! Но «мы пойдём другим путём», и об этом — далее в обзоре.

Также здесь отмечаем наличие микросхемы FP5139. Это — микросхема для повышающих DC-DC преобразователей, предназначенная для работы с внешним силовым транзистором. В данном случае применён MOSFET NCE8295AD (напряжение до 82 В, ток до 95 А в импульсе, сопротивление 8 миллиОм). Очень хорошо!

Рядом расположен диод Шоттки B10100G (100 В, 10 А). Диод применён довольно высоковольтный (для Шоттки), но без большого запаса по току.

Между транзистором и диодом расположен маленький элемент, обозначенный RT1. Это — термодатчик, и расположен он в правильном месте — вблизи источников тепла.

Также здесь есть пара операционников LM358, ответственных за измерения.

Смотрим обратную сторону этой платы:

Здесь вблизи клеммника (сверху) видим резистор 0.025 Ом (отвечает за измерение тока) и транзистор MOSFET 50N06 (50 А, 60 В, 22 миллиОм). Транзистор обеспечивает защиту от переполюсовки внешнего питания (хотя в описании преобразователя эта функция не заявлена, но она есть). Если Вы уверены, что никогда не перепутаете полярность питания, его можно замкнуть (правый нижний контакт с контактом минуса питания на клеммнике). Можно сэкономить до 0.5 Вт мощности. Но я рисковать не стал (случаи уже были всякие).

В правом верхнем углу расположен ещё один маленький понижающий DC-DC преобразователь на микросхеме XL1509. Он используется для «внутренних нужд» устройства.

Слева внизу — индуктивность, входящая в состав выходного фильтра (конденсатор стоит на другой стороне платы).

Плату управления и индикации осмотрим только с одной стороны:

Здесь расположен аналого-цифровой процессор (микроконтроллер) AT32F421C8T7 компании Artery. Он отвечает за управление, индикацию, измерение всего, что здесь измеряется, и расчеты всего, что рассчитывается.

Проблема с теплоотводом и её решение

После того, как стала понятна вся «кривизна» системы теплоотвода преобразователя, я решил открутить радиатор с вентилятором и посмотреть тепловизором, что и как там греется.

И вот — тепловой снимок, сделанный в лёгком режиме (напряжение входа 9 в, напряжение выхода 12 В, ток выхода 1.45 А, мощность на выходе 17.4 Вт):

Температуру электролитических конденсаторов надо оценивать не по их макушке, а по их оболочке (тепловизор не может правильно показывать температуру металлических предметов с зеркальной поверхностью).

Итак, здесь есть два неприятных сюрприза.

Первый: диод Шоттки греется очень сильно. Явно тут поставлен не самый подходящий диод: правильнее было бы установить диод на больший ток. У таких диодов меньше прямое падение напряжения, и, соответственно, они меньше греются.

Второй: сильный нагрев маленького электролитического конденсатора, расположенного между индуктивностями (как физически, так и схемно). Фактически, через него передаётся вся мощность преобразователя; и из-за внутренних потерь часть энергии в конденсаторе переходит из реактивной в активную (этот процесс описывается терминами «тангенс угла потерь» и «эквивалентное последовательное сопротивление» (ESR).

А особенно плохо это тем, что электролитические конденсаторы имеют в принципе ограниченный срок жизни (наработку на отказ). И этот срок жизни сильно зависит от режима, в котором конденсатор работает. В результате конденсатор может работать десятилетия, а может и через год отбросить контакты. Кто видел вздувшиеся и лопнувшие конденсаторы на материнках и в блоках питания, тот всё поймёт правильно.

В данном случае режим оказался тяжелым, и ничего хорошего это не предвещает.

Кстати, некоторые владельцы преобразователя тоже пытались бороться с проблемой плохого теплоотвода от транзистора и диода, но делали это грубыми силовыми методами: выкорчевывали диод и транзистор, переворачивали их, и через прокладку снова устанавливали на них радиатор (чтобы радиатор не замкнул диод с транзистором).

Пойти на такой вандализм мне не позволяли внутренние гуманистические убеждения. Хотя достаточно было бы перевернуть только диод: транзистор и так грелся не сильно.

По этим соображениям было принято решение просто запараллелить диод ещё одним диодом, а конденсатор — ещё одним конденсатором; установив эти элементы навесным монтажом. Не гламурно, но просто, легко, и, главное — гуманно!

В качестве диода был выбран STPS3045 (сдвоенный Шоттки 30 А, 45 В), а в качестве конденсатора — алюминиевый 1000 мкФ 35 В 105°С. Выбор был сделан таким просто потому, что таковые детали нашлись в домашнем хозяйстве.

По-хорошему, диод надо было выбрать на большее напряжение, так как обратное напряжение на диоде в схеме SEPIC складывается из напряжения питания и напряжения выхода. То есть, при максимально-допустимых напряжениях преобразователя по входу и выходу это будет 72 В. Учитывая, что я собирался в дальнейшем питать преобразователь от ноутбучного блока питания 19 В, мне нельзя будет устанавливать выходное напряжение большее, чем 26 В (но меня это устраивает). В идеале дополнительный диод должен быть таким же по допустимому напряжению, как «родной» (100 В).

Конденсатор надо было бы выбрать на напряжение 50 В, но найденный конденсатор на 35 В тоже более-менее подходит, так как он находится под напряжением питания преобразователя (максимум 36 В).

В сдвоенном диоде, естественно, надо диоды запараллелить.

И вот, на проволочках дополнительные детали подпаяны; вид платы сверху:

И, для полноты картины — вид платы снизу:

Теперь включаем систему под ту же самую нагрузку, и делаем тепловой снимок:

Итак, новый диод теперь стал греться так же сильно, как раньше грелся старый. В чем же тогда выигрыш?! А он — в том, что новый диод теперь уже можно прикрепить к радиатору правильной стороной! Правда, только к боковой поверхности радиатора, но и это очень неплохо.

Электролитический конденсатор между индуктивностями стал греться чуть меньше, но очень немного: на 2-3 градуса. Видимо, перенаправлению энергии на новый конденсатор мешает сопротивление относительно длинных проводников, на которых подвешен новый конденсатор.

Теперь — окончательная сборка доработанного DC-DC преобразователя:

Дополнительный диод Шоттки прикреплён к правому краю радиатора с помощью самореза, а навесной электролитический конденсатор приклеен к одному из штатных конденсаторов с помощью жирной капли белого герметика.

Поверхность как «старых» греющихся деталей, так и нового диода была слегка помазана термопастой (изначально в преобразователе её не было).

Но теперь (внимание!) надо иметь в виду, что радиатор не изолирован от схемы, а находится под потенциалом выхода преобразователя (остерегаемся замыканий!).

И, наконец, делаем тепловой снимок всей системы в сборе под нагрузкой:

Какого-либо перегрева на плате нет, а самой тёплой частью оказался вентилятор с температурой в центре всего лишь 41 градус.

По показаниям термометра самого преобразователя, после доработки температура снизилась в рабочем режиме при мощности выхода 17.4 Вт на 5 градусов: с 38 градусов до 33. Отличный результат!

В заключение этой главы — пара осциллограмм, подтверждающих наличие на диоде обратного напряжение, равного сумме напряжений входа и выхода. Осциллограммы сняты относительно земли, поэтому обратным напряжением на диоде является полный размах напряжения на осциллограммах. Осциллограммы сняты осциллографом Fnirsi-1013D на положительном выводе диода.

Первая осциллограмма: напряжение входа 9 В, выхода — 12 В. Вторая осциллограмма: вход 24 В, выход 12 В. Уровень нуля показывает желтый маркер.

По осциллограммам можно определить тактовую частоту преобразователя, которая составила почти точно 200 кГц.

Стандартные тесты

Теперь, для полноты картины, осталось провести типовые тесты: на отдаваемую мощность, КПД, проверку пульсаций и всё такое.

Начнём с теста на пульсации, так как в нём был обнаружен неожиданный эффект.

Осциллограммы были сняты осциллографом Hantek 2D72 (он лучше отображает высокие частоты, чем Fnirsi-1013D, но менее удобен в работе).

На первой осциллограмме — пульсации на выходе при токе выхода 5 А. На второй осциллограмме — развернутая часть пульсаций, где на первой осциллограмме были короткие всплески.

Вторая осциллограмма отражает факт наличия небольших высокочастотных колебаний, возникающих на паразитных колебательных контурах, образованных индуктивностями и паразитными ёмкостями. Это — дело житейское, и часто встречается в импульсных источниках питания. Нельзя сказать, что они совсем безвредны: для высокочувствительной аппаратуры они могут быть помехой.

На всякий случай было проверено влияние помех от преобразователя на расположенный рядом FM-приёмник. Влияние ощущалось, только если приёмник был размещён почти вплотную к преобразователю — на расстоянии до 5 см. То есть, можно считать, что радиопомехи от преобразователя не исходят.

А вот на первой осциллограмме есть более серьёзная причина для беспокойства. Заключается она в том, что помимо обычных пульсаций с частотой преобразования (кстати, они очень невелики, спасибо выходному фильтру), есть ещё и медленные пульсации, значительно превосходящие по уровню пульсации на основной частоте.

Величина медленных пульсаций зависела от тока выхода и напряжений входа и выхода. Кроме того, иногда они сами по себе исчезали, а потом снова появлялись. Полна загадок дикая природа!

В целом же, чем ниже ток выхода, тем медленные пульсации были ниже; и при токе ниже 2 А их уровень становился ниже уровня основных пульсаций (то есть, ими уже можно было пренебречь).

Стандартное средство борьбы с пульсациями (добавить электролитические конденсаторы по входу и выходу) помогло мало. Разве что ток, при котором уровень медленных пульсаций становился ниже уровня основных пульсаций, достиг величины 2.5 А (добавлялись по входу и выходу конденсаторы 2200 мкФ).

Далее — обычные проверки, не принесшие никаких неожиданностей (в хорошем смысле слова). Внимание — все проверки проводились после доработки!

Проверка работы на максимальной мощности (80 Вт)

Проверка проходила при сопротивлении нагрузки 4 Ом, напряжении входа 24 В, выхода — 18 В.

Проверка прошла успешно, преобразователь требуемую мощность отдал, КПД составил 84%. А почему не 90%, ведь импульсные преобразователи славятся высоким КПД?!

А потому, что здесь применён понижающе-повышающий преобразователь, в котором путь энергии от входа к выходу схемотехнически длиннее, чем у только понижающих или только повышающих преобразователей.

Так что, результат по КПД оцениваем, как очень неплохой, но при этом помним, что он получен при благоприятном соотношении входного и выходного напряжения.

Температура преобразователя по встроенному термометру достигла 76 градусов.

Теоретически, в настройках преобразователя есть возможность установить ограничение по мощности до 110 Вт, и задрать выходную мощность выше заявленной в характеристиках (80 Вт), но я — не сторонник таких издевательств над аппаратурой.

Проверка КПД

Эту проверку можно осуществлять при множестве комбинаций входных и выходных напряжений и токов, но выберем несколько простых вариантов.

Сначала проверим зависимость КПД от выходного напряжения при неизменном входном (12 В) и неизменной мощности выхода. Хотелось провести эти испытания при мощности выхода 25 Вт, но добиться ровно такой мощности не удалось (получилось чуть меньше).

Результаты — в таблице:

Результат вполне объяснимый: чем выше выходное напряжение, тем меньше относительная величина потерь на выпрямительном диоде.

Теперь проведём тест с обратным смыслом: при фиксированной выходной мощности проверим зависимость КПД от входного напряжения.

Выходное напряжение было установлено на уровне 12 В, выходная мощность — 17.4 Вт. Результаты — в таблице:

В целом, если соотношение между входным и выходным напряжениями не является каким-то экстремальным, то КПД довольно стабилен в пределах 82-84%. Незначительное снижение КПД при росте входного напряжения может быть связано с повышением мощности, потребляемой преобразователем на собственные нужды (описано далее).

Кстати, почему я включил в таблицу довольно странное напряжение 7.4 В? Потому, что это напряжение 2-секционного литий-ионного аккумулятора. А с односекционным аккумулятором (3.7 В) преобразователь работать не может.

Проверка потребления на холостом ходу

Холостой ход у этого преобразователя может существовать в двух видах:

1. Питание подано, выход выключен.

2. Питание подано, выход включен, но без нагрузки.

При выключенном выходе потребление было небольшим, и колебалось от 36 мА при питании 7.4 В и до 23 мА при питании 24 В (чем выше напряжение, тем меньше потребление!).

При включенном выходе потребление на холостом ходу сильно зависело от соотношения входного и выходного напряжения. Самый «плохой» случай — низкое входное и высокое выходное напряжение. При входном напряжении 7.4 В и выходном 36 В потребление тока составило 191 мА (1.41 Вт), что, тем не менее, вполне допустимо и проблем не вызывает.

Проверка точности измерения напряжения и тока

Эта проверка прошла успешно. При высоких напряжениях и токах (выше 10 В и 1 А) погрешность, действительно, укладывалась в обещанные 0.4%, при более низких значениях погрешность оказалась чуть выше.

То есть, при работе с преобразователем дополнительные измерительные приборы не требуются.

Итоги. Область применения цифрового DC-DC преобразователя XYS3580 и рекомендации

Конструкция этого преобразователя оказалась не очень удачной: теплоотвод сделан с грубой ошибкой (работает плохо); один из электролитических конденсаторов работает в слишком тяжелом режиме и вряд ли проживёт долго; а выпрямительный диод Шоттки оказался не оптимальным и является одновременно источником лишнего тепла и лишних потерь мощности (включая потери КПД).

Проведённая простая доработка (установка параллельно диоду и конденсатору ещё по одному) эти проблемы решает; но всегда ли эта доработка требуется?!

Представляется, что если использовать преобразователь не на всю заявленную мощность, а только наполовину, то можно обойтись и без доработки. Если при этом будут кратковременные пики потребления на всю мощность, то это не страшно (за короткое время перегрева не случится).

Разумеется, нагрев будет определяться и корпусом, в котором будет размещён преобразователь. Тесный корпус с плохой вентиляцией может ситуацию значительно ухудшить. Но, как уже упоминалось, его можно использовать и без корпуса.

В целом же, при условии проведения доработки, надо признать преобразователь соответствующим заявленным параметрам.

В качестве отдельного позитива надо отметить высокую точность измерения токов и напряжений (по крайней мере, так обстоит дело у протестированного экземпляра).

В качестве областей применения преобразователя XYS3580 представляются две возможности. Первая — использование его в качестве лабораторного блока питания при проведении пуско-наладочных и ремонтных работ с различной аппаратурой, потребление которой не выходит за рамки возможностей преобразователя.

Вторая область применения — использование в качестве зарядного устройства для различных типов аккумуляторов, включая даже автомобильные (только заряжать их придётся долго). Достаточно лишь правильно выставить напряжение и ток зарядки.

Использовать же преобразователь для питания светодиодного освещения (как, кроме прочего, советует производитель) представляется хотя и возможным, но не целесообразным: для этого существуют более простые и дешевые решения.

Рекомендация: если Вы будете использовать преобразователь без дополнительного навесного электролитического конденсатора, и при этом использовать преобразователь будете часто и подолгу, то время от времени проверяйте состояние маленького электролитического конденсатора, расположенного между индуктивностями.

Немного рекламы (ссылка на покупку). Купить понижающе-повышающий DC-DC преобразователь XYS3580 можно на Алиэкспресс. Цена на дату публикации обзора — около $19, на распродаже 11.11 — небольшая скидка. В дальнейшем цена может меняться, проверяйте!

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

При тестировании преобразователя использовалась следующая аппаратура:

Тепловизор InfiRay T2S+ (обзор);

Осциллограф Fnirsi 1013D (обзор);

Мультиметр Aneng V8 (обзор).

Всем спасибо за внимание!