Convertidor DC-DC con función QC 3.0

Hacía tiempo que no hablaba de convertidores de tensión y hoy traigo una reseña no solo de un convertidor, sino también de uno que permite trabajar con los protocolos QC 2.0 y 3.0.
La reseña no será muy larga, pero espero que resulte útil.


Ya he publicado muchas reseñas de convertidores en las que explicaba la teoría, mostraba aplicaciones prácticas y distintas opciones de modificación. Pero esta vez he decidido acortar un poco la reseña y hablar solo del convertidor en sí.

Cuando recibí el pedido, me sorprendió un poco el tamaño del paquete, sobre todo al compararlo con el del propio convertidor.


El convertidor en sí es bastante compacto; su tamaño es comparable al de una caja de cerillas. Eso sí, tenía un trozo sobrante de placa de circuito impreso en un lateral, que rompí más tarde. Sin él, la placa mide 52kh30kh13mm


En la página de la tienda se indican las características principales, de las que se puede deducir lo siguiente:
Tensión de entrada: 12-36 V
Tensión de salida: 5.2 V
Corriente máxima de salida: 5 A
Modos de funcionamiento Quick charge: 5/9/12 V
Rendimiento típico: más del 93%

Lo que no se indica es la corriente de salida con tensiones de 9 y 12 V. Además, se especifica un rango de tensión de entrada a partir de 12 V, pero hay que tener en cuenta que es un convertidor reductor, así que con 12 V de entrada la tensión de salida será menor.


A primera vista, la placa tiene buen aspecto. En la entrada lleva una regleta de dos bornes y en la salida, un conector USB.
Tiene cuatro orificios de montaje, separados entre sí 46kh24mm.


En la entrada hay un condensador de 220 µF x 50 V y en la salida, uno de 470kh35 V. El margen de tensión es más que suficiente; en cuanto a la capacidad, yo habría puesto uno algo mayor en la salida, pero en realidad funciona bien tal como está.


A continuación hablaré de los distintos bloques del convertidor, pero primero mostraré dónde están en la placa; así será más fácil orientarse.
1. Rojo: el convertidor de tensión propiamente dicho.
2. Amarillo: chip QC 2.0/3.0
3. Azul: transistor de protección contra la inversión de polaridad de la alimentación de entrada


Ahora, con algo más de detalle.
El convertidor reductor de tensión está basado en el controlador PWM LM3150, dos transistores MOSFET y un inductor.


Este controlador PWM gobierna dos transistores y forma un rectificador síncrono para mejorar el rendimiento. Además, tiene un amplio rango de tensiones de entrada (se especifica de 6 a 42 V) y puede funcionar a una frecuencia de hasta 1 MHz.


Además, este controlador tiene un circuito de conexión muy sencillo, que utiliza un número mínimo de componentes, y una fuente de alimentación bootstrap, lo que permite usar un transistor superior de canal N. Por lo general, estos transistores tienen mejores características que los de canal P.
La tensión de salida mínima del convertidor es de 0.6 V, pero esto se aplica solo al chip en sí, no a esta implementación.


Cerca de la regleta de entrada está el controlador encargado de los modos Quick Charge. Su ubicación me parece bastante extraña; lo lógico habría sido ponerlo cerca del conector de salida. Aunque no he analizado el trazado de las pistas, así que quizá los diseñadores tenían sus motivos.


Este controlador puede funcionar en dos modos: QC 2.0 y QC 3.0. Para la mayoría de los usuarios, las diferencias entre ellos no son críticas:
QC 2.0: cambio de la tensión de salida entre 5/9/12/20 V
QC 3.0: cambio más gradual en el rango de 3.6-20 V, en pasos de 0.2 V.

QC 3.0 permite ajustar con más flexibilidad la tensión de salida de la fuente, pero normalmente bastan los valores fijos de 5/9/12 V; el de 20 V se usa bastante menos.



El funcionamiento de todo este sistema es muy sencillo: el controlador recibe información sobre la tensión que debe suministrar la fuente y, al intervenir en el circuito de realimentación, modifica la tensión de salida según lo que solicite el dispositivo conectado.
Las órdenes de control se transmiten mediante una combinación de tensiones en las líneas de datos USB. En la captura de pantalla de abajo se ven los valores de tensión y la tensión de alimentación correspondiente a cada uno.
En la tabla no aparece la combinación para suministrar 20 V: 3.3 V en ambas líneas, ni la combinación 0.6/3.3 V para el modo QC3.0.
Puedes leer más en Wikipedia.


Junto al conector USB hay escondido un pequeño LED azul. Está conectado al conector USB y su brillo cambia según la tensión de salida. No he probado el conector USB, pero a simple vista está bastante bien fabricado, aunque de todos modos no recomendaría usarlo con corrientes de carga elevadas.


Por si acaso, aquí tienes fotos más detalladas de algunos componentes.


No hay componentes en la parte inferior; este lado de la placa se utiliza parcialmente como disipador térmico. Cerca del conector USB hay unas pistas estañadas que utilicé para conectar la carga; así es más fiable con corrientes elevadas.


Para comprobar el funcionamiento del convertidor, utilicé un medidor USB con función de emulación del protocolo Quick Charge. De forma predeterminada, la tensión de salida es de 5.24-5-25 V, dentro de los límites de la norma, 4.75-5.25, y permite compensar la caída de tensión en el cable de alimentación de la carga.


1. Para comprobar sus posibilidades, utilicé otro medidor, con función de detección automática; en la foto aparece la lista de modos admitidos.
2. En el modo QC 3.0, el paso de ajuste de la tensión es de 0.2 V.
3. La tensión mínima que se puede ajustar es de 3.86 V.
4. La máxima es de casi 12.3
5. La tensión de salida excesiva es ya «mérito» del propio convertidor, porque la eleva prácticamente por igual en todos los casos. Es decir, si se ajustan 5 V, la salida es de 5.2; en lugar de 9, habrá unos 9.2. En mi opinión, no está muy bien, aunque se mantiene dentro de los límites permitidos.
6. Si se ajustan 20 V, la salida seguirá siendo de 12; es una limitación del controlador Quick Charge utilizado.


El intento de obtener más de 5 V con mi Lenovo P2 no tuvo éxito: como máximo, 5 V y 2 A. Esto se debe a que Lenovo utiliza MTK Pump Express, no Quick Charge.


Para las pruebas siguientes utilicé una fuente de alimentación regulable, una carga electrónica y un medidor USB que hacía de disparador QC, enviando comandos para obtener determinadas tensiones.


Sin carga, el convertidor consume 30 mA y, curiosamente, la corriente no depende de la tensión de entrada. Por eso, con una tensión de entrada de 36 V, el convertidor consume más de 1 W. En mi opinión, el consumo en vacío es muy elevado y conviene tenerlo en cuenta al alimentarlo con baterías.


Las pruebas siguientes están ocultas en un desplegable para no sobrecargar la reseña.


He reunido todos los resultados de las pruebas en una tabla, donde muestro la tensión de salida y la eficiencia en función de la tensión de entrada.
Después de introducir los datos, me di cuenta de que:
1. Con una tensión de entrada de 15 V, la tensión de salida de 12 V cae notablemente, hasta 10,74 V.
2. Al aumentar la tensión de entrada, la de salida también sube un poco. Con una entrada de 24-36 V, supera los 5,25 V.
3. Con determinadas relaciones entre las tensiones de entrada y salida, así como la corriente de carga, la eficiencia llega al 94-94,3 %, pero también hay situaciones en las que baja al 82,9 %, claramente por debajo del 93 % típico indicado en las especificaciones.



Como resumen, puedo decir lo siguiente:
1. El convertidor funciona.
2. La calidad de fabricación es bastante buena.
3. Funcionan correctamente tanto QC 2.0 como QC 3.0.
4. Tiene protección contra la inversión de polaridad en la entrada.
5. Los componentes son relativamente buenos.
6. A juzgar por el calentamiento, la corriente máxima continua es de 3,5-4 A con una salida de 5 V, de 2-2,5 A con 9 V y de 1,7-1,8 A con 12 V. Durante periodos cortos, el convertidor suministra sin problemas 5 A a 5 V, 3 A a 9 V y 2,5 A a 12 V.
7. La amplitud del rizado con una salida de 5 V, así como en vacío, es de unos 150-175 mV, lo cual es muchísimo.

En pocas palabras, me ha gustado más de lo que me ha disgustado. Funciona de forma estable, no ha dado problemas y se puede usar, aunque con algunas salvedades.

Eso es todo. Como siempre, espero sus preguntas y confío en que la información haya sido útil.