Uniwersalna przetwornica napięcia, czyli kilka słów o tym, czym jest SEPIC

W dzisiejszym artykule chcę opowiedzieć o całkiem przydatnym urządzeniu — uniwersalnej przetwornicy napięcia.
Co to takiego, jak działa i co potrafi — jak zwykle, po kliknięciu „czytaj dalej”.

Jakiś czas temu, w jednej z moich recenzji, wspominałem już o takim typie przetwornic, a nawet zbudowałem jedną na próbę. Dziś przyszła kolej na recenzję gotowej przetwornicy tego typu.

Na początek dosłownie kilka słów o tym, czym jest ta sprytna przetwornica.
Zwykle przetwornice dzielą się na trzy typy.
1. Podwyższające
2. Obniżające
3. Odwracające

Żadna z nich nie może jednak podawać napięcia wyższego lub niższego niż napięcie źródła.
Na przykład przetwornica obniżająca nie podniesie 10 V do 12 V, a podwyższająca nie obniży 20 V do 5 V.
Czasem jednak zdarza się, że podczas pracy napięcie wejściowe może być zarówno wyższe, jak i niższe od wymaganego napięcia wyjściowego.
Na przykład potrzebujemy 12 V (powiedzmy, do zasilania dysku twardego lub monitora), a zasilanie pochodzi z instalacji samochodowej, w której napięcie może wynosić zarówno 10 V, jak i 14,5 V.
Najczęściej rozwiązuje się ten problem na dwa sposoby.
1. Podwyższa się napięcie do 15–20 V, a następnie obniża do wymaganej wartości.
2. Stosuje się przetwornicę podwyższająco-obniżającą, czyli Buck-Boost, czyli SEPIC.

Najpierw trochę ogólnych informacji.
Przetwornica przyszła razem z innym towarem i była zapakowana po prostu w woreczek strunowy.


Na stronie sklepu podano:

Napięcie wejściowe — 4 V–35 V
Napięcie wyjściowe — 1,23 V–32 V
Prąd wyjściowy — maksymalnie 3 A
Maksymalna moc — 25 W
Wymiary: 50 x 25 x 12 mm

Co oznaczają te parametry?
Prąd wyjściowy nie może przekroczyć 3 A, a moc wyjściowa — 25 W.
Czyli ograniczeniem będzie ta wartość, do której dojdziemy jako pierwszej.
Można uzyskać na wyjściu 10 V i 2,5 A (25 W) albo 5 V i 3 A (15 W).
W rzeczywistości parametry różnią się od deklarowanych, ale o tym trochę później.

Płytka wygląda całkiem schludnie. Widać potencjometr montażowy do regulacji napięcia wyjściowego (prąd nie jest regulowany ani ograniczany).


Na płytce widać też dwa dławiki — to jedna z cech przetwornicy SEPIC, choć nie jest to regułą. Czasem stosuje się jeden dławik z dwoma uzwojeniami, ale i on wygląda inaczej.


A tu widok płytki drukowanej z góry :)


Od spodu pusto. Widać przelotki między warstwami, które pozwalają odprowadzać ciepło na spód płytki, ale są rozmieszczone jakoś nielogicznie. Najpewniej pełnią głównie funkcję połączeń elektrycznych.
Szkoda, można było poprawić odprowadzanie ciepła, ale lepsze to niż nic.


Myślę, że wymiary płytki łatwiej ocenić na tym zdjęciu :)


Tak, wygląd mamy już za sobą, teraz spróbujmy dokładniej zrozumieć, czym właściwie jest to urządzenie.
Oczywiście bardzo chciałbym szczegółowo opisać, co to jest i jak działa. Problem w tym, że wyjaśnienie działania tego typu przetwornic w prosty sposób jest trudne. Co więcej, nawet podczas przygotowywania materiałów do recenzji natrafiałem na sprzeczne opisy.

Na początek schemat blokowy tego typu przetwornicy. Warto zaznaczyć, że istnieją dwa warianty topologii tego rodzaju przetwornicy. Pokażę ten, do którego należy omawiana płytka.


Dalej spróbuję „oddać głos” specjalistom z większym doświadczeniem.
Podczas poszukiwań natrafiłem na opis, który moim zdaniem jest najdokładniejszy. Tu znajduje się oryginał artykułu, a poniżej zacytuję krótkie wyjaśnienie zasady działania.

Na schemacie klucz mocy jest w stanie zamkniętym. Gdy klucz jest zamknięty, dławik wejściowy ładuje się ze źródła, a drugi dławik — z kondensatora. W tym czasie kondensator wyjściowy dostarcza prąd do obciążenia.
W tym czasie energia nie jest przekazywana do obciążenia. Biegunowości prądów w cewkach i napięć na kondensatorach zaznaczono na schemacie. Fakt, że oba dławiki, L1 i L2, są odłączone od obciążenia przy zamkniętym kluczu, komplikuje charakterystyki regulacyjne, co zobaczymy dalej.


Po rozwarciu klucza układ wygląda nieco inaczej.
Gdy klucz jest rozwarty, pierwszy dławik ładuje kondensator C1, a także podtrzymuje prąd w obciążeniu, jak pokazano na schemacie. W tym czasie drugi dławik również jest podłączony do obciążenia.


Mówiąc prosto, układ działa dzięki wzajemnemu przekazywaniu energii między elementami i pozwala zarówno podwyższać, jak i obniżać napięcie.
Żeby łatwiej było to zrozumieć, pokażę, gdzie na płytce znajdują się te elementy.
Przy okazji: jedną z cech charakterystycznych przetwornicy SEPIC jest jeden element kluczujący (nieważne, czy jest to tranzystor, czy układ PWM mocy) i jedna dioda.


Narysowałem schemat tej płytki. Wartości kilku elementów mogą nieco różnić się od rzeczywistych, ale zasadniczo wszystko się zgadza.
Od razu wskażę jedną wadę: potencjometr montażowy jest podłączony do wyjścia, a nie do masy. Takiego połączenia zdecydowanie się nie zaleca, ponieważ w razie utraty kontaktu podczas regulacji na wyjściu pojawi się maksymalne napięcie wyjściowe.


Podstawą tej płytki jest niewielki kontroler PWM, który steruje tranzystorem MOSFET dużej mocy i kontroluje napięcie wyjściowe.
Jako kontroler PWM zastosowano FP5139. Tu znajduje się karta katalogowa.
Kontroler PWM pracuje z częstotliwością 500 kHz, co jest całkiem niezłym wynikiem. Zakres napięcia wejściowego wynosi 1,8–15 V, co również cieszy, zwłaszcza dolny próg 1,8 V. Chyba kupię sobie kilka takich układów na zapas.
Kontroler steruje tranzystorem MOSFET 088N04L. To tranzystor na 40 V i 50 A, o rezystancji 8,8 mΩ, który może być sterowany sygnałem o poziomie logicznym (zwykle 5 V).


Cechą charakterystyczną przetwornicy SEPIC jest również pojemny kondensator ceramiczny.
Ogólnie rzecz biorąc, SEPIC różni się od innych przetwornic tym, że zawiera więcej elementów.
Klasyczne przetwornice podwyższające, obniżające i odwracające mają trzy podstawowe elementy, połączone jednak w różny sposób — dławik, tranzystor i diodę.
Tutaj do tego zestawu dodano jeszcze jeden dławik i kondensator.
Dioda wyjściowa na płytce to SK86, całkiem niezła dioda o deklarowanym maksymalnym prądzie do 8 A.


Potem przeszedłem do testów.
Kiedy zmontowałem takie „stanowisko”, zrobiło mi się nawet żal przetwornicy.
„Rozniosą ją jak Tuzik koc” — pomyślałem. Jak pokazała praktyka, niewiele się pomyliłem.


Pierwsze uruchomienie.
Od razu wyjaśnię, co oznacza cała masa liczb na wyświetlaczach.
Po lewej zasilacz.
Górny wiersz — napięcie wyjściowe, prąd wyjściowy.
Dolny wiersz — moc wyjściowa, ilość mAh przekazana do obciążenia (ale w tym przypadku nie ma to znaczenia)

Po prawej obciążenie elektroniczne.
1. Ustawiony prąd, napięcie odcięcia (w tym przypadku nie ma znaczenia)
2. Zmierzony prąd obciążenia, zmierzone napięcie wejściowe (napięcie wyjściowe przetwornicy).
3. Zgromadzona pojemność (w tym przypadku nie ma znaczenia), moc obciążenia (prąd × napięcie).
4. Bez znaczenia.


Potem przetestowałem przetwornicę w różnych trybach. Tryby wybierałem częściowo spontanicznie, a równocześnie mierzyłem temperaturę głównych elementów i zapisywałem wyniki w tabelce.


Nie podnosiłem napięcia wejściowego powyżej 14 V. Niżej wyjaśnię dlaczego.


Na podstawie wyników pomiarów temperatury mogę stwierdzić, że płytka nie osiąga deklarowanych parametrów.
Jest jednak pewien szczegół. Nie osiąga ich z powodu przegrzewania. Moc elementów mocy wystarcza, by uzyskać te parametry przez krótki czas, ale przy dłuższej pracy elementy się przegrzewają.
Można oczywiście zrobić radiator, ale trzeba chłodzić tranzystor, dwa dławiki i diodę, a to skomplikowane :(
Zauważyłem też niewielki spadek napięcia wyjściowego w miarę nagrzewania się przetwornicy. Często wynika to z zastosowania rezystorów niedokładnych, których rezystancja „pływa” pod wpływem temperatury. Zmiana nie jest jednak duża i można ją pominąć.


Ponieważ ten typ przetwornic wyróżnia się wyższą sprawnością niż inne rozwiązania, postanowiłem ją również sprawdzić.
Dla demonstracji przeprowadziłem mały eksperyment. Żeby wynik był bardziej czytelny, ustawiałem tryb pracy tak, aby moc wejściowa zawsze wynosiła 10 W (albo mniej więcej tyle). W takim trybie moc wyjściowa jest równa sprawności przetwornicy.
W rzeczywistości sprawność będzie wyższa, bo w tym wariancie nie uwzględniono strat na przewodach. Są jednak krótkie, więc błąd pomiaru raczej nie przekroczy kilku procent.


Jeszcze kilka zdjęć w różnych trybach: podwyższanie, obniżanie i przy różnych napięciach.
Przy okazji, na podstawie poprzednich zdjęć można też obliczyć sprawność. Wystarczy podzielić zmierzoną moc obciążenia (po prawej) przez zmierzoną moc źródła (po lewej).
Na przykład: na zasilaczu 15.45, na obciążeniu 12.3. 12.3 / 15.45 = 0.796
Ale już teraz można powiedzieć, że sprawność jest wyższa niż w przypadku połączenia przetwornicy podwyższającej i obniżającej.




Wyżej pisałem, że ograniczyłem napięcie wejściowe do 14 V.
Nie bez powodu. Najpierw zacząłem testy, a dopiero później przerysowałem schemat.
Początkowo myślałem, że producent po prostu skopiował układ z noty katalogowej, a tranzystor na płytce służy do sterowania włączaniem i wyłączaniem (przy okazji, zaletą SEPIC jest możliwość odłączenia wyjścia; na przykład przetwornicy step-up nie da się wyłączyć) i że napięcie wejściowe nie powinno przekraczać 15 V (zgodnie z notą katalogową kontrolera). Chciałem nawet ponarzekać, że podano zakres napięcia wejściowego do 35 V.
Kiedy jednak zacząłem analizować schemat, zrozumiałem, że producent wykazał się sprytem i umieścił na płytce stabilizator zasilania na około 9.5 V. Nie wykluczam, że nie wszystkie płytki są tak zbudowane, więc uważajcie.
Zmylił mnie właśnie tranzystor regulacyjny stabilizatora, bo w układzie z noty katalogowej też jest tranzystor.
Przy okazji, zworka na płytce steruje włączaniem i wyłączaniem przetwornicy.


Po przeanalizowaniu schematu postanowiłem kontynuować testy, ale zanim zdążyłem je nawet zacząć, spaliłem płytkę.
Mocny tranzystor uległ zwarciu, nawet nie zrozumiałem, jak do tego doszło.
Przeszukałem swoje zapasy i znalazłem jakąś płytę główną, z której wylutowałem tranzystor MOSFET w takiej samej obudowie. Różnica polega na tym, że wytrzymuje tylko do 30 V :(
Szybko go przelutowałem, na szczęście nic więcej się nie uszkodziło.
Przy okazji: tę przetwornicę można uznać za w pewnym stopniu „bezpieczną”, bo w razie uszkodzenia tranzystora mocy nie poda na wyjście pełnego napięcia zasilania, jak stałoby się w przypadku przetwornicy step-down.
Jeszcze jedna uwaga: ten typ przetwornic ma większe tętnienia na wyjściu (w porównaniu z innymi typami), ale znacznie mniejsze na wejściu, co jest zaletą przy zasilaniu z akumulatorów.


Później chciałem nie tylko kontynuować testy, ale też spróbować ustalić, dlaczego tranzystor uległ uszkodzeniu.
Podczas testów zauważyłem, że im wyższe napięcie wejściowe, tym niższa sprawność.
Na przykład przy napięciu wyjściowym 15 V sprawność wyniosła 80% dla napięcia wejściowego 20 V, a przy 26 V zaledwie 62%.
Co więcej, im wyższe napięcie wyjściowe, tym sprawność jeszcze niższa. Przy napięciu wyjściowym 20 V bez problemu uzyskiwałem prąd wejściowy powyżej 2 A i sprawność poniżej 40%.
Wtedy przypomniałem sobie, że obok tranzystora była mała kropla cyny, której nie było przed przebiciem. Po ostatnim eksperymencie napięcie wyjściowe wynosiło 25 V, a na wejściu ustawiłem prawie 30 V. Tranzystor nie zdążył nawet pisnąć.
Czyli wygląda na to, że tranzystor dosłownie się „zespawał”. Najprawdopodobniej stało się tak, ponieważ dławiki zaczęły wchodzić w nasycenie.
SEPIC może oczywiście pracować w szerokim zakresie napięć, ale optymalny zakres zależy od zastosowanych komponentów i nie da się objąć wszystkiego.


Eksperymenty pokazały, że im niższe napięcie wyjściowe, tym wyższe mogę ustawić napięcie wejściowe.
Przy napięciu wyjściowym 10 V bez problemu ustawiłem 27 V na wejściu. Nie próbowałem podnosić go bardziej, bo maksymalne napięcie tranzystora wynosi zaledwie 30 V.
Ogólnie to normalne, trzeba po prostu uwzględnić tę cechę podczas użytkowania. To raczej właściwość niż usterka.


Nie będę wyliczał zalet i wad — myślę, że wszystko jest jasne po prostu po lekturze recenzji. Zbiorę jednak krótko uzyskane informacje.
1. Przetwornica działa i osiąga wyższą sprawność niż połączenie przetwornicy podwyższającej i obniżającej.
2. Parametry płytki są zawyżone, ale przy odpowiedniej konfiguracji można uzyskać zarówno 3 A, jak i 25 W — wszystko zależy od kombinacji napięcia wejściowego i wyjściowego.
3. Zastosowane komponenty są całkiem niezłe. Dławiki powinny jednak być przystosowane do większego prądu, a tranzystor wymaga dodatkowego chłodzenia.
4. Płytka ma stabilizator zasilania sterownika PWM, dzięki czemu napięcie wejściowe można podnieść powyżej 15 V.
5. Przy określonej kombinacji napięcia wejściowego i wyjściowego dochodzi do przebicia tranzystora mocy. :(

Ogólnie płytka działa całkiem dobrze, ale ma pewne ograniczenia opisane powyżej.
Nadaje się do zasilania urządzeń o niewielkim poborze prądu w szerokim zakresie napięcia wejściowego, ale nie sprawdzi się w przypadku urządzeń dużej mocy ze względu na przegrzewanie.
W internecie widziałem krótki test tej płytki. Wyniki są nieco inne, ale nie do końca jasne było raczej to, co napisano tam o zabezpieczeniu. U mnie zadziałało ono raz — na wyjściu nie było napięcia, dopóki nie odłączyłem zasilania płytki. Nie rozumiem jednak, jak wykrywa przeciążenie, skoro nie ma czujników prądu, choć w nocie katalogowej deklarowane jest zabezpieczenie przed zwarciem i rzeczywiście zadziałało…

Mam nadzieję, że recenzja była ciekawa i przydatna. Jeśli to interesujące, mogę sprawdzić działanie przy innych kombinacjach napięć.


Produkt udostępniony przez sklep do przygotowania recenzji.