Обзор биполярного DC/DC-преобразователя: был куплен, был протестирован, был хорошим товарищем... И был восстановлен!

 В обзоре будет рассмотрен DC-DC преобразователь малой мощности с биполярным симметричным выходом. Двухполярное питание обычно используется в схемах с операционными усилителями, в усилителях для наушников и в некоторых других случаях.

Преобразователь относится к типу понижающе-повышающих и представляет собой одноплатную конструкцию с фиксированными выходными напряжениями ±15 В. Но он входит в серию, где есть преобразователи и на другие выходные напряжения в диапазоне от ±5 В до ±24 В. Теоретически можно сделать из этой платы преобразователь и на более низкие напряжения (примерно до 1.3 — 1.5 В); но это — только при наличии навыков изящной пайки в стиле «левши» Лескова (данные для расчёта переделки есть на странице продавца, ссылка будет в конце обзора).

 Основные технические характеристики двухполярных DC-DC преобразователей малой мощности Eletechsup

 Для протестированной платы с напряжениями выхода ± 15 В допустимая мощность выхода составляет 3 Вт (при входном напряжении 5 В), для других напряжений — указана на странице продавца.

К этому надо добавить, что производитель разрешает использовать плату не только с симметричной нагрузкой, но и с нагрузкой только на одно положительное плечо. А с нагрузкой только на отрицательное плечо производитель использовать преобразователь не  разрешает (такова особенность схемотехники). Но и в «запрещённом» варианте работы платы она всё равно будет протестирована (и, забегая вперёд, надо сказать, что окажется более-менее работоспособной).

Конструкция и схемотехника двухполярного DC-DC преобразователя

Преобразователь собран на плате очень небольшого размера. По углам, как положено в соответствии с манерами хорошего тона, расположены 4 крепёжных отверстия:

Элементов на плате — очень мало.

Большие электролитические конденсаторы (220 мкФ 35 В) установлены по питанию (на входе и выходе).

Параллельно каждому большому электролиту установлено по керамическому конденсатору.

Два малых электролита (в центре платы, 47 мкФ 50 В) работают в схеме формирования выходных напряжений, в ней же работают и три индуктивности.

Вид платы сверху:

Наименования полупроводниковых элементов (микросхемы и диодов) не видны, но не потому, что затёрты; а потому, что нанесены слишком бледной маркировкой.

С помощью увеличительного стекла и усиленного освещения их можно прочесть: чип — XL6007E1, диоды — SS34.

Производитель чипа — компания XLSEMI, datasheet чипа можно найти в Интернете. Самое основное: максимально-допустимое входное напряжение — 24 В, максимально-допустимый выходной ток — 2 А. Заявлена защита от перегрева и перегрузки по току (но с этим возникнут некоторые проблемы).

Применённые SS34 — диоды Шоттки, 3 А, 40 В. Диоды Шоттки — это очень хорошо (малое прямое падение напряжения).

Два SMD-резистора внизу посередине образуют делитель в цепи обратной связи, который и задаёт напряжение на выходе.

Этот делитель берёт напряжение с положительного плеча, т.е. стабилизируется именно положительное напряжение. По этой причине производитель и запрещает использовать преобразователь с нагрузкой только на отрицательное плечо: его стабилизация будет слабой (проверим).

Нижняя сторона платы:

К плюсам разводки платы надо отнести, что максимальная площадь занята проводником земли.

Тест двухполярного DC-DC преобразователя

Исходя из допустимой мощности для преобразователя при напряжении 5 В на входе и ±15 В на выходе допускается максимальный ток 100 мА, т.е. мощность 3 Вт.

А, поскольку использовать какие-либо устройства на уровне 100% от предельно-допустимых параметров является манерой плохого тона, нагрузка была задана не 100, а 75 мА, т.е. было установлено по резистору 200 Ом в каждое плечо. Мощность рассеяния на каждом резисторе получается 1.125 Вт (без учета отклонений выходных напряжений от 15 В).

Ток холостого хода (без нагрузки) составил 5.9 мА при входном напряжении 5 В.

Далее в таблице — результаты замера выходных напряжений и других параметров при входном напряжении 5 В и четырёх вариантах нагрузок:  без нагрузки; 200 Ом на обоих плечах; 200 Ом только на положительном плече; 200 Ом только на отрицательном плече.

Выводы из этой таблицы полностью подтверждают теорию:

1. В зависимости от наличия или отсутствия нагрузки напряжение на положительном плече держится очень стабильным, а на отрицательном — заметно «плавает». Оптимальна — симметричная нагрузка.

2. Чем ниже нагрузка, тем выше КПД; хотя он высокий во всех случаях.

В режиме с нагрузкой на оба плеча был сделан теплоснимок платы в установившемся режиме:

Максимальный нагрев был в микросхеме преобразователя, он составил около +58 градусов, что не представляет никакой угрозы для его жизни и здоровья.

Также заметный нагрев был у индуктивности слева от микросхемы, к которой непосредственно был подключен выход микросхемы.

В этом же режиме были сняты осциллограммы импульсов на выходе микросхемы и пульсаций на положительном и отрицательном плечах преобразователя.

Осциллограмма выхода микросхемы преобразователя (ноль смещен на одно деление вниз, чтобы осциллограмма поместилась по высоте):

Пульсации на положительном выходе (вход осциллографа — закрытый):

Пульсации на отрицательном выходе:

Пульсации — весьма существенные (по плюсу — до 80 мВ), но, если надо, то их можно подавить  дополнительными электролитами на выходе.

Следующий эксперимент — проверка потребления DC-DC преобразователя в зависимости от входного напряжения при фиксированной нагрузке (200 Ом в каждом плече).

Результаты — тоже ожидаемые. С повышением входного напряжения КПД тоже немного повышается; а при входном напряжении ниже 5 В резко падает. При входном напряжении ниже 4 В теряется работоспособность преобразователя с данной нагрузкой.

Был хорошим товарищем...

Природное любопытство заставило меня провести эксперимент с перегрузкой преобразователя, т.е. подключить на выходы вместо резисторов 200 Ом резисторы 68 Ом.

Я наивно полагал, что ничем не рискую: для чипа в datasheet-е были заявлены термозащита и защита от перегрузки по току.

Но мир — не прост!

После подачи питания ток потребления резко скакнул до 3 А, в микросхеме что-то зашипело и от неё откололся кусочек корпуса. Преобразователь скоропостижно скончался.

В принципе, для его восстановления можно было заказать точно такую же микросхему, но я решил заказать более мощную микросхему того же производителя: XL6019E1. Она совпадает с погибшей микросхемой по назначению выводов и внутреннему опорному напряжению, но она более мощная и у неё совсем другой корпус.

В общем, пришлось её припаять на проволочках. Получилось весьма оригинально (просьба сильно не ругать):

Несмотря не некоторую странность конструкции, всё успешно завелось и заработало; причем выходные напряжения практически не изменились.

Ток холостого хода тоже почти не изменился и составил 6.1 мА.

Теплоснимок платы с той же симметричной нагрузкой не показал ничего плохого:

После этого я решил ещё раз наступить на те же грабли и снова включил преобразователь с превышением допустимой нагрузки.

Преобразователь положенные напряжения выдать не смог, ток потребления скакнул до 4 А; но в этот раз ничего не сгорело (микросхема — значительно мощнее предшественницы).

Этот эксперимент уже позволяет сделать выводы, почему сгорел первоначальный вариант преобразователя.

Вероятнее всего, при перегрузке преобразователя токи в индуктивностях стали настолько большие, что сердечник переходит в насыщение. То есть, по своим магнитным свойствам он становится «деревяшкой». В этом случае должна была сработать защита по току, но не сработала. :(

На этом переходим к заключительной части.

Двухполярный симметричный DC-DC преобразователь — итоги и выводы

В целом протестированный преобразователь показал себя вполне работоспособным и качественным изделием, за исключением защиты от перегрузки по току. Перегружать преобразователь — крайне не желательно. И коротких замыканий тоже лучше не допускать.

Точность формирования выходных напряжений оказалась высокой.

Оптимальное применение преобразователя — с симметричной нагрузкой по положительному и отрицательному выходам.

С несимметричной нагрузкой тоже можно применять, но при этом надо иметь в виду, что отрицательное напряжение станет менее стабильным (может быть выше или ниже номинала в зависимости от направления перекоса в нагрузках на разные плечи).

При применении преобразователя следует помнить о том, что предельно-допустимая нагрузка зависит от соотношения между напряжениями на входе и выходе. Чем выше входное напряжение, тем преобразователю работать легче и выше допустимая нагрузка.

Что касается пульсаций, то, при необходимости их снижения, достаточно добавить на выход электролитических конденсаторов «по вкусу».

Купить протестированный преобразователь можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату обзора — $4.4 с учётом доставки (впоследствии может меняться).

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

Описанная доработка с заменой микросхемы на более мощную  — это просто эксперимент и к внедрению не рекомендуется.

Если же всё-таки нужен более мощный биполярный DC-DC преобразователь, то его можно найти у того же продавца.

При тестировании преобразователя применялись следующие приборы:

— цифровой осциллограф Fnirsi-1013D (обзор);

— мультиметр Aneng V8 (обзор);

— тепловизор UNI-T Uti120Mobile (обзор).

Всем спасибо за внимание!