FR9888, czyli układ scalony synchronicznej przetwornicy obniżającej

Ta recenzja jest kontynuacją eksperymentów z przetwornicami obniżającymi napięcie. Przy okazji opowiem trochę o tym, czym jest przetwornica z synchronicznym prostowaniem.

Temat różnych przetwornic poruszyłem już dawno temu, ale impulsem do zakupu tych układów scalonych była niedawna recenzja małego układu do przetwornicy obniżającej. W komentarzach do niej zaproponowano mi jeszcze kilka innych wariantów.
Na początek linki do dwóch poprzednich recenzji.
TRI1461
MP2359DJ

A oto kilka linków do moich recenzji układów scalonych i przetwornic.
PT4115E
AMC7135
Zestaw dławików CDRH104R
LTC4054
regulowana przetwornica DC-DC przetwornica
SC6038
MC34063
ICL7660
przetwornica DC-DC przetwornica
Para przetwornic podwyższających i ich niewielka modernizacja do topologii SEPIC
Uniwersalna przetwornica napięcia albo kilka słów o tym, czym jest SEPIC
Wielokanałowa przetwornica DC-DC
ZXY6020S
ZXY6005S
przetwornica oparta na układzie LTC3780
DC-DC Step Down moduł o deklarowanym prądzie 10 A

Układy scalone są sprzedawane w zestawach po 10 sztuk. W chwili zakupu kosztowały 1.67, teraz 1.71, ale najprawdopodobniej obowiązywała zniżka w aplikacji mobilnej.
Swoją drogą, dopiero dziś zauważyłem, że na stronie zamówień Ali nie widać już czasu pozostałego do końca ochrony kupującego.

Układy scalone przysłano w małej żółtej kopercie, w środku była zwykła torebka strunowa. Liczba sztuk zgadza się z zamówieniem.


Krótki opis po angielsku.
W skrócie:
Napięcie wejściowe — 4.5-23 V
Napięcie wyjściowe — 0.925-20 V
Prąd wyjściowy — do 3.5 A
Częstotliwość przełączania — stała, 340 kHz.
Do tego różne przydatne funkcje, takie jak zabezpieczenie termiczne, nadprądowe itp.

Link do pełnej karty katalogowej.


Układ scalony jest w obudowie SOP-8. Od spodu znajduje się pole lutownicze, które należy przylutować do płytki, aby poprawić odprowadzanie ciepła z układu.


Schemat blokowy układu. Warto zwrócić uwagę na dość nietypowe napięcie odniesienia: 0,925 V.
W komentarzach ktoś kiedyś zapytał mnie, dlaczego nie da się ustawić napięcia wyjściowego przetwornicy poniżej pewnego minimum.
Właśnie napięcie odniesienia wyznacza tę wartość. Układ porównuje napięcie na wejściu pomiarowym z napięciem odniesienia. Jeśli napięcie na wejściu jest wyższe, próbuje zmniejszyć szerokość impulsów, aby je obniżyć. Analogicznie, gdy napięcie na wejściu jest niższe, próbuje zwiększyć szerokość impulsów, aby je podnieść.
Dlatego prostymi metodami nie da się obniżyć napięcia wyjściowego poniżej napięcia odniesienia — układ zawsze będzie próbował podnieść je tak, aby na wejściu było 0,925 V (albo odpowiednia wartość dla innych układów). Zwiększenie napięcia nie stanowi problemu, wystarczy zastosować dzielnik z dwóch rezystorów.

Druga nietypowa cecha tego układu to dwa tranzystory polowe na wyjściu zamiast jednego.
Układ ma wbudowany prostownik synchroniczny. Pewnie wielu z Was zauważyło w poprzednich recenzjach, że obok układu scalonego zawsze „kręci się” mała (albo duża) dioda. W tym układzie zewnętrzna dioda nie jest potrzebna.

Trzecią przydatną cechą układu jest wejście SS — Soft Start. Po włączeniu zasilania układ nie startuje natychmiast, lecz stopniowo zwiększa szerokość impulsów, aż przejdzie w tryb stabilizacji. Taki tryb przydaje się przy „ciężkich” obciążeniach, które przy nagłym podaniu napięcia mogą przełączyć układ w tryb zabezpieczenia nadprądowego.


Na chwilę odejdę od tematu i opowiem o prostowaniu synchronicznym.
Dawniej problem stabilizacji napięcia rozwiązywano za pomocą dyskretnych stabilizatorów liniowych. Później zaczęto produkować układy scalone w postaci „wielonóżek”, z elementami zewnętrznymi i zewnętrznym tranzystorem mocy.
Dopiero później pojawiły się znane wielu osobom układy KRĘN, a właściwie, mówiąc poprawniej, KR142ENxx.
Były wygodne: małe tętnienia na wyjściu i bardzo proste podłączenie. Miały tylko jedną wadę — wydzielały mnóstwo ciepła. Radiatory były jednak tanie, więc nikt specjalnie się tym ciepłem nie przejmował.
Chociaż w jednej z recenzji pokazywałem, jak zbudować przetwornicę o wysokiej sprawności na układzie KRĘN5 (7805).
Równolegle rozwijały się jednak stabilizatory impulsowe. Początkowo również były dyskretne (bez specjalizowanych układów scalonych) i dość skomplikowane, co częściowo hamowało ich zastosowanie. Później zaczęto produkować (a częściej kopiować z zagranicy) scalone stabilizatory napięcia PWM.

Prosty impulsowy stabilizator napięcia składa się z kilku podstawowych bloków (przyjrzyjmy się przetwornicy obniżającej).
Sterownik
Tranzystor kluczujący
Dioda
Dławik
Kondensator wyjściowy.

Interesują nas pierwsze trzy pozycje.
Wszyscy wiedzą, że na złączu tranzystora bipolarnego i diody występuje stały spadek napięcia. W zwykłych diodach jest większy, a w diodach Schottky’ego — mniejszy.
To rozwiązanie jest zasadniczo proste i tanie. Później zaczęto jednak stosować tranzystory polowe, co pozwoliło zwiększyć sprawność przetwornic, ponieważ tranzystory polowe umożliwiają uzyskanie mniejszego spadku napięcia na elemencie kluczującym.
Sprawność wzrosła, ale pozostała dioda, którą znacznie trudniej zastąpić tranzystorem. Z czasem rozwiązano i ten problem — opisywana przetwornica jest właśnie przykładem takiego rozwiązania.

Po lewej stronie schematu blokowego pokazano zwykłą przetwornicę z zewnętrzną diodą, a po prawej tę opisywaną w recenzji.
Na początku cyklu przetwarzania tranzystor się otwiera i w dławiku gromadzi się energia. Po pewnym czasie tranzystor się zamyka, napięcie na wyprowadzeniach dławika zmienia polaryzację, a prąd zaczyna płynąć przez diodę do obciążenia.
W tym układzie diodę zastąpiono tranzystorem polowym i umieszczono go wewnątrz układu scalonego. Sprawność wzrosła, a przetwornica nie potrzebuje już zewnętrznej diody. W rzeczywistości dioda nadal jest — to pasożytnicza dioda tranzystora polowego — ale w tym przypadku nie ma to większego znaczenia.


Na tym kończę teorię i przechodzę do praktyki.
W nocie katalogowej pokazano dwa warianty układu przetwornicy: z kondensatorami ceramicznymi i elektrolitycznymi.
Postanowiłem zbudować pierwszy wariant, z kondensatorami ceramicznymi — dzięki temu całość jest nieco bardziej kompaktowa.


W nocie katalogowej układu znalazłem przykładowy projekt ścieżek i skorzystałem z niego.


W mojej wersji płytka wygląda tak.


Do tego projektu znalazłem w domu kilka części, a będąc na targu, dokupiłem dławik 5,2 µH. Jak się później okazało, zupełnie niepotrzebnie. Dławik kosztował prawie dolara, co jest bardzo drogo nawet jak na zakupy stacjonarne.


Niepotrzebnie kupiłem dławik, bo chciałem uzyskać napięcie wyjściowe 5 V, a z tabeli wynika, że do tego dławik powinien mieć indukcyjność 10 µH.
Przy okazji, w tej tabeli podano też wartości dzielnika dla określonych, stałych napięć wyjściowych.
Zastosowałem nieco inne wartości z szeregu E24: dolny rezystor 9,1 kΩ, górny — 39 kΩ. Z obliczeń wynikało, że górny powinien mieć 40 kΩ, ale nie zależało mi na dokładnym napięciu, więc tak zostawiłem.


Potem zabrałem się za montaż.
Ponieważ układ scalony trzeba przylutować dolną płytką do pola miedzi na płytce, najpierw zrobiłem to tak, jak na zdjęciu:
1. Nałożyłem trochę cyny pod układ scalony.
2. Podgrzałem pole miedzi i umieściłem układ na miejscu, po czym ponownie podgrzałem z obu stron, dociskając układ pęsetą.
3. Sprawdziłem, czy spód układu rzeczywiście się przylutował, próbując go podważyć, a następnie przylutowałem pozostałe wyprowadzenia.
4. Umyłem płytkę i przeszedłem do montażu pozostałych elementów.
Oczywiście łatwiej byłoby przylutować układ za pomocą hot-airu — i ostatecznie tak właśnie zrobiłem. Ale nie każdy ma hot-air.


Tak wygląda gotowa płytka.
Dławik nie jest przylutowany, tylko pokazany dla zobrazowania pierwotnego pomysłu. Zresztą płytki można używać również w tej postaci, ale przy niskich napięciach wyjściowych.


Miałem taki sam dławik, ale o indukcyjności 10 µH. Nie nadawał się jednak, bo był przystosowany do mniejszego prądu. Chodzi o to, że wraz ze wzrostem indukcyjności maleje dopuszczalny prąd dławika (przy tych samych wymiarach). Dławik 5,2 µH jeszcze pasował pod względem prądowym, ale 10 µH już nie — przynajmniej z tej serii, pod którą projektowałem ścieżki na płytce.

Musiałem poszukać w domu różnych dławików, a potem przewinąć jeden z nich, żeby uzyskać potrzebną indukcyjność.
Dławik jest nawinięty dwoma przewodami o średnicy 0,63 mm.


Zdjęcie pozwalające ocenić wymiary i porównanie z płytkami z dwóch poprzednich recenzji.


Z bliska.


Jako stanowisko testowe wykorzystałem ten sam zestaw co poprzednio
Zasilacz
Obciążenie elektroniczne
Multimetr
Jeszcze jeden multimetr
Oscyloskop
Termometr bezdotykowy

Przy uruchomieniu czekała mnie jednak niemiła niespodzianka.
Przetwornica ruszyła, ale przy prądzie obciążenia 0,7 A przechodziła w tryb zabezpieczenia i obniżała napięcie wyjściowe niemal do zera.
Poza tym napięcie wyjściowe było nieco niższe od obliczonego. A po kilku eksperymentach układ scalony najpierw podawał na wyjściu 6 V, a potem całkiem odmówił współpracy :(
Wylutowałem układ scalony hot airem i wlutowałem nowy (tym razem już z użyciem hot airu), ale nic nie działało: na wyjściu nie było napięcia, a pobór prądu wynosił 90 mA.
W końcu wylutowałem i drugi układ scalony, po czym wlutowałem trzeci. Z nim napięcie wyjściowe było zgodne z założeniami, a układ działał już prawidłowo.
Na pierwszym zdjęciu jest pierwszy układ scalony, na drugim — trzeci.


Pierwszy test: pomiar prądu pobieranego bez obciążenia na wyjściu.
Nie powiedziałbym, że to mało — spodziewałem się, że układ scalony będzie pobierał mniej.
23 mA przy 10 V i 28 mA przy 20 V


Przebieg testów:
1. Prąd wyjściowy 1 A, napięcie wejściowe 10-15-20 V
2. Prąd wyjściowy 2 A, napięcie wejściowe 10-15-20 V
3. Prąd wyjściowy 3 A, napięcie wejściowe 10-15-20 V


Nie będę pokazywał wszystkich oscylogramów, pokażę tylko pracę bez obciążenia i przy maksymalnym obciążeniu, przy napięciu wejściowym 20 V.
Tętnienia są praktycznie niewidoczne. Sprawdziłem nawet, czy tłumik sondy jest ustawiony na 1:1.


Sprawdzenie minimalnego napięcia wejściowego przy różnych prądach obciążenia: 1-2-3 A.
Napięcie wyjściowe wynosi wtedy około 4,75 V.


Sprawdziłem też zabezpieczenie przed zwarciem na wyjściu.
Zabezpieczenie działa świetnie, ale nie przechodzi w tryb cykliczny — pracuje w trybie podobnym do stabilizacji prądu.


Z prądem wyjściowym jest jednak mały problem.
Przy prądzie obciążenia 3 A układ scalony po pewnym czasie wyłącza się z powodu przekroczenia dopuszczalnej temperatury obudowy. Jeśli lekko na niego dmuchać, wszystko działa świetnie.
Przyczyną jest najpewniej to, że pod układem scalonym powinny znajdować się przelotki na drugą stronę płytki, a sama płytka powinna być dwustronna. Użyłem jednak cienkiej, jednostronnej płytki, która po prostu nie radziła sobie z odprowadzaniem ciepła.


Sam układ scalony może jednak pracować przy prądzie obciążenia do 4,5 A; powyżej zadziała ograniczenie prądu wyjściowego.
Oczywiście układ scalony może dostarczać prąd 4-4,5 A tylko krótkotrwale, ale mimo wszystko to dobry wynik.
Na zdjęciu widać prąd wejściowy przy prądzie wyjściowym 3,5-4-4,5 A.


No i oczywiście sprawdzę też sprawność.
Producent podaje taki wykres dla napięcia wyjściowego 5 V. Co prawda testowałem przy napięciach 10-15-20 V, a nie 12 i 23 V jak w nocie katalogowej, ale nie sądzę, żeby miało to istotne znaczenie.


Cóż, deklarowanej sprawności nie udało mi się uzyskać, choć oczywiście przy takich prądach wyjściowych jest ona całkiem niezła.
Jako temperaturę układu scalonego przy prądzie 3 A podano temperaturę zadziałania zabezpieczenia termicznego.
Poza tym wyraźnie widać, że przy napięciu wejściowym 10 V sprawność jest wyższa niż przy 20 V.
A tak przy okazji, już po eksperymentach postanowiłem jeszcze trochę pomęczyć układ. W tym celu porządnie podgrzałem go gorącym powietrzem i mocno docisnąłem pęsetą do płytki. Po tym zabiegu zabezpieczenie termiczne zaczęło zadziałać znacznie rzadziej, ale układ nadal nie dawał rady przy 3 A; przy 2,5 A pracował prawidłowo.


No i co można powiedzieć na koniec?
Zalety
Cena
Prawidłowo działające zabezpieczenie przed zwarciem, przeciążeniem i przegrzaniem.
Dobra odporność na przeciążenia
Łagodny start.
Bardzo małe tętnienia napięcia wyjściowego.

Wady
Sprawność niższa od deklarowanej
Niejasna kwestia niezawodności po zamontowaniu układów scalonych na płytce.

Moja opinia. Układ scalony nieco mnie rozczarował, spodziewałem się czegoś więcej. Oczywiście nie spełniłem wszystkich wymagań producenta i przylutowałem układ bez odprowadzania ciepła na drugą stronę płytki. Mimo wszystko bardziej rozczarowała mnie sprawność, choć w zakresie 10-15 V jest wyższa niż w poprzednich egzemplarzach. Poniżej krótkie porównanie przy prądzie 2 A:
Po lewej omawiany układ, po prawej TRI1461
10 V — 89,7/86
15 V — 87,4/86.1
20 V — 84.9/86.1

Ogólnie rzecz biorąc, można go używać przy prądach do 2,5 A, a przy prądach do 2 A można nawet nie montować radiatora. Niepokoi mnie jednak usterka pierwszego egzemplarza — do dziś nie mogę zrozumieć, co się stało. Trochę mnie to zmartwiło, bo przywykłem już, że coś złożę i działa :)
A tak przy okazji, układy scalone z kołnierzem są pod tym względem znacznie wygodniejsze: wystarczy podgrzać kołnierz i układ się przylutuje. W przypadku omawianego układu taka operacja jest bardzo niewygodna.

Mam nadzieję, że te informacje się przydadzą. Chyba opowiedziałem wszystko, co mogłem, a na pytania i sugestie jak zawsze czekam w komentarzach.