Przetwornica DC-DC z funkcją QC 3.0

Dawno nie pisałem o przetwornicach napięcia, a dziś mam dla Was recenzję nie byle jakiej przetwornicy, bo dodatkowo obsługuje protokoły QC 2.0 i 3.0.
Recenzja nie będzie zbyt długa, ale mam nadzieję, że okaże się przydatna.


Opublikowałem już wiele recenzji przetwornic, w których wyjaśniałem teorię, pokazywałem praktyczne zastosowania i możliwości modyfikacji. Tym razem postanowiłem jednak nieco skrócić tekst i opowiedzieć tylko o samej przetwornicy.

Kiedy odebrałem przesyłkę, zdziwił mnie rozmiar opakowania, zwłaszcza w porównaniu z samą przetwornicą.


Sama przetwornica jest dość kompaktowa, jej rozmiar można porównać z pudełkiem zapałek. Z boku wystawał jednak kawałek laminatu, który później odłamałem. Bez niego płytka ma wymiary 52х30х13mm


Na stronie sklepu podano podstawowe parametry, z których wynika, że:
Napięcie wejściowe: 12–36 V
Napięcie wyjściowe: 5,2 V
Maksymalny prąd wyjściowy: 5 A
Tryby Quick Charge: 5/9/12 V
Typowa sprawność: ponad 93%

Nie podano prądu wyjściowego przy napięciu 9 i 12 V. Ponadto zakres napięcia wejściowego zaczyna się od 12 V, ale trzeba pamiętać, że jest to przetwornica obniżająca, więc przy napięciu wejściowym 12 V napięcie wyjściowe będzie niższe.


Płytka wygląda całkiem nieźle. Na wejściu znajduje się podwójna listwa zaciskowa, a na wyjściu gniazdo USB.
Są też cztery otwory montażowe, rozstawione w odległości 46х24мм.


Na wejściu zamontowano kondensator 220 µF × 50 V, a na wyjściu 470х35 Вольт. Zapas napięcia jest więcej niż wystarczający. Na wyjściu dałbym nieco większą pojemność, ale w praktyce układ działa dobrze również w tej konfiguracji.


Dalej opowiem o poszczególnych blokach przetwornicy, ale najpierw pokażę ich rozmieszczenie na płytce, żeby łatwiej było się zorientować.
1. Czerwony — właściwa przetwornica napięcia.
2. Żółty — układ QC 2.0/3.0
3. Niebieski — tranzystor zabezpieczający przed odwrotną polaryzacją zasilania wejściowego


Teraz nieco więcej szczegółów.
Przetwornicę obniżającą zbudowano na bazie kontrolera PWM LM3150, dwóch tranzystorów MOSFET i dławika.


Ten kontroler PWM steruje dwoma tranzystorami, realizując układ prostownika synchronicznego, który zwiększa sprawność. Ma też szeroki zakres napięcia wejściowego (deklarowany od 6 do 42 V) i może pracować z częstotliwością do 1 MHz.


Ponadto kontroler ma bardzo prosty układ aplikacyjny, wymagający minimalnej liczby elementów, a także źródło zasilania bootstrap, dzięki któremu można zastosować tranzystor górny typu N. Takie tranzystory mają zwykle lepsze parametry niż tranzystory typu P.
Minimalne napięcie wyjściowe samego kontrolera wynosi 0,6 V, ale nie dotyczy to tej konkretnej realizacji.


W pobliżu wejściowej listwy zaciskowej znajduje się kontroler obsługujący tryby Quick Charge. To dość dziwne miejsce — moim zdaniem logiczniej byłoby umieścić go przy gnieździe wyjściowym. Nie analizowałem jednak prowadzenia ścieżek, więc być może projektanci mieli swoje powody.


Kontroler obsługuje dwa tryby: QC 2.0 i QC 3.0. Dla większości użytkowników różnice między nimi nie są istotne:
QC 2.0 — przełączanie napięcia wyjściowego między 5/9/12/20 V
QC 3.0 — płynniejsza regulacja w zakresie 3,6–20 V, z krokiem 0,2 V.

QC 3.0 pozwala precyzyjniej dostosować napięcie wyjściowe zasilacza, ale najczęściej wystarczają stałe wartości 5/9/12 V. Z 20 V korzysta się już znacznie rzadziej.



Zasada działania całego układu jest bardzo prosta: kontroler otrzymuje informację o tym, jakie napięcie ma podać zasilacz, a następnie ingeruje w obwód sprzężenia zwrotnego i zmienia napięcie wyjściowe zgodnie z żądaniem odbiornika.
Polecenia sterujące są kodowane jako kombinacje napięć na liniach danych USB. Na zrzucie ekranu poniżej widać wartości napięć i odpowiadające im napięcia zasilania.
W tabeli nie podano kombinacji dla napięcia 20 V — 3,3 V na obu liniach — ani wartości 0,6/3,3 V używanych w trybie QC3.0.
Więcej informacji można przeczytać w Wikipedii.


Przy gnieździe USB ukryła się mała, niebieska dioda LED. Jest podłączona do gniazda USB, a jej jasność zmienia się w zależności od napięcia wyjściowego. Nie testowałem złącza USB, ale wygląda na całkiem solidnie wykonane. Mimo to nie polecałbym używać go przy dużym prądzie obciążenia.


Na wszelki wypadek zamieszczam bardziej szczegółowe zdjęcie poszczególnych elementów.


Od spodu nie ma żadnych elementów; ta strona płytki częściowo pełni funkcję radiatora. Obok złącza USB znajdują się pocynowane pola lutownicze. Wykorzystałem je do podłączenia obciążenia — przy dużym prądzie to pewniejsze rozwiązanie.


Do sprawdzenia działania przetwornicy użyłem testera USB z funkcją emulacji protokołu Quick Charge. Domyślnie napięcie wyjściowe wynosi 5,24–5,25 V, co mieści się w granicach tolerancji standardu 4,75–5,25 V i pozwala skompensować spadek napięcia na przewodzie zasilającym obciążenie.


1. Do sprawdzenia możliwości użyłem innego testera z funkcją automatycznego wykrywania. Lista obsługiwanych trybów jest na zdjęciu.
2. W trybie QC 3.0 napięcie zmienia się skokowo co 0,2 V.
3. Minimalne możliwe do ustawienia napięcie to 3,86 V.
4. Maksymalne to prawie 12,3 V.
5. Podwyższone napięcie wyjściowe to już „zasługa” samej przetwornicy, bo zawyża je niemal jednakowo w całym zakresie. Czyli ustawiamy 5 V, a na wyjściu mamy 5,2 V; zamiast 9 V będzie odpowiednio około 9,2 V. Moim zdaniem to niezbyt dobre rozwiązanie, choć mieści się w granicach tolerancji.
6. Po ustawieniu 20 V na wyjściu i tak będzie 12 V — to ograniczenie zastosowanego kontrolera Quick Charge.


Próba uzyskania napięcia wyższego niż 5 V przy użyciu mojego Lenovo P2 zakończyła się niepowodzeniem. Maksymalnie udało się uzyskać 5 V i 2 A. Wynika to z tego, że Lenovo korzysta z MTK Pump Express, a nie Quick Charge.


Do dalszych eksperymentów użyłem regulowanego zasilacza, obciążenia elektronicznego i testera USB, który służył jako wyzwalacz QC i wysyłał polecenia ustawienia określonych napięć.


Bez obciążenia przetwornica pobiera 30 mA. Co ciekawe, prąd nie zależy od napięcia wejściowego, więc przy napięciu wejściowym 36 V przetwornica pobiera ponad 1 W. Moim zdaniem pobór mocy w stanie jałowym jest bardzo duży i warto o tym pamiętać przy zasilaniu z akumulatorów.


Dalsze testy ukryłem pod spoilerem, żeby nie przeładowywać recenzji.


Wszystkie wyniki testów zebrałem w jednej tabeli, pokazującej napięcie wyjściowe i sprawność w zależności od napięcia wejściowego.
Dopiero po wpisaniu danych zauważyłem, że:
1. Przy napięciu wejściowym 15 V napięcie wyjściowe 12 V wyraźnie spada, nawet do 10,74 V.
2. Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego nieznacznie rośnie też napięcie wyjściowe. Przy napięciu wejściowym 24–36 V przekracza 5,25 V.
3. Przy określonej kombinacji napięcia wejściowego i wyjściowego oraz prądu obciążenia sprawność dochodzi do 94–94,3%, ale zdarzają się też sytuacje, w których spada do 82,9%, czyli wyraźnie poniżej typowych 93% podanych w specyfikacji.



Podsumowując, mogę powiedzieć, co następuje:
1. Przetwornica działa.
2. Jakość wykonania jest całkiem niezła.
3. Zarówno QC 2.0, jak i QC 3.0 działają prawidłowo.
4. Jest zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją na wejściu.
5. Zastosowano całkiem niezłe komponenty.
6. Sądząc po temperaturze, maksymalny prąd ciągły wynosi przy napięciu wyjściowym 5 V — 3,5–4 A, 9 V — 2–2,5 A, 12 V — 1,7–1,8 A. Krótkotrwale przetwornica bez problemu dostarcza przy 5 V — 5 A, 9 V — 3 A, 12 V — 2,5 A.
7. Amplituda tętnień przy napięciu wyjściowym 5 V, a także bez obciążenia, wynosi około 150–175 mV, co jest bardzo dużą wartością.

Krótko mówiąc, przetwornica bardziej mi się spodobała, niż nie. Działa stabilnie, nie sprawiała problemów i można jej używać, choć z pewnymi zastrzeżeniami.

To już wszystko. Jak zwykle czekam na pytania i mam nadzieję, że te informacje były przydatne.