Conversores DC-DC compactos com conector USB

Recebi alguns conversores abaixadores compactos. Comprei só “para experimentar”, já que custam bem pouco. Hoje vou analisar duas placas quase iguais, mas que, ainda assim, são diferentes.


Tudo começou quando um amigo me pediu para comprar algumas dezenas de conversores pequenos. Acabei comprando um para mim também, sem nenhum objetivo específico.
As placas custaram $0.68 cada uma - link. Recebi quase uma folha inteira, que depois precisa ser separada em placas individuais.



As placas são bem compactas: medem 15x26.5 mm, incluindo o conector.


Por fora, está tudo bem caprichado, mas vale observar que essas placas não têm função QC: a saída é de apenas 5 V.


Eu já queria escrever a análise, mas estava sem tempo e deixei minha plaquinha na gaveta da mesa. Aí, durante outro pedido a um vendedor diferente, encontrei as mesmas placas, mas em duas versões. Uma custava 80 centavos e a outra, 78. Agora, as duas estão à venda por $0.67.
Esquecendo completamente que eu já tinha uma dessas placas, encomendei uma de cada versão. No fim, fiquei com três placas: duas de um tipo e uma do outro (no saquinho).


Não vou mais tentar criar suspense, então vou explicar.
À esquerda está a placa do primeiro tipo. Uma foi encomendada antes e a outra, recentemente; custou 80 centavos. Daqui em diante, vou chamá-la de “tipo um”.
À direita está a placa do segundo tipo, encomendada junto com uma das duas primeiras. Custou 78 centavos. Daqui em diante, “tipo dois”.

A principal diferença está no tipo de indutor. O vendedor identifica a primeira placa como “3A USB Output good” e a segunda simplesmente como “3A USB Output”.


As placas usam o mesmo chip e têm os mesmos valores de componentes. Ambas têm um supressor na saída; a única diferença é o tipo de indutor usado.


Até a indutância do indutor é igual, mas o da segunda placa é um pouco mais baixo e, aparentemente, foi projetado para uma corrente menor.


Um dos vendedores tem uma imagem com informações adicionais sobre os componentes.
As placas também têm um diodo na entrada para proteção contra inversão de polaridade e, por algum motivo, um resistor de 0.1 Ω ligado em série com a entrada. A perda no resistor não é muito grande, claro (ao contrário da do diodo), mas a função dele continua sendo um mistério para mim. Não consigo pensar em nada além de que ele serve como fusível.


Mas descobri que as placas também diferem no layout, ou seja, não muda só o tipo de indutor. Talvez sejam uma versão antiga e outra nova. À esquerda, “tipo um”; à direita, “tipo dois”.


Para os testes, usei uma fonte de alimentação e uma carga eletrônica. A capacidade de carga e a medição da eficiência foram avaliadas com uma fonte chaveada; para medir a ondulação, usei uma fonte linear, para evitar que ela influenciasse os resultados.


Antes de passar aos testes, algumas informações sobre as placas, retiradas da página do vendedor. Abaixo está uma captura de tela traduzida pelo Google, mas, resumindo:
1. Os componentes são anunciados como novos. Em geral, isso não faz muita diferença.
2. Corrente máxima de 3 A por curtos períodos e de 2.1 A em operação contínua.
3. Capacitores cerâmicos em vez de eletrolíticos; por isso, a ondulação anunciada é de 10 mV, enquanto a dos concorrentes chega a 500 mV. Mas vamos conferir.
4. Alta eficiência, de até 94-97.5%, mas há uma ressalva: sem fusível e diodo de proteção. Como eles estão na placa, vou fazer as medições com ambos.
5. Indutores enrolados com fita, não com fio. Não consigo verificar isso sem desmontar.
6. Supressor de proteção na saída. Está presente nas duas placas, então não há dúvidas quanto a isso.
7. Uso de algum tipo de circuito de identificação USB. Na verdade, ele não existe: os contatos das linhas de dados USB estão ligados entre si e conectados a um divisor de tensão.
8. Conector USB dourado. Pouco provável, mas também vou medir a queda de tensão no conector.
9-11. Bobagens variadas.
12. Corrente de consumo sem carga de 0.85 mA. Não medi especificamente, mas a fonte realmente indicava corrente zero sem carga, embora o menor valor que ela consegue mostrar seja 1 mA.



Vou começar pela placa do “tipo dois”, porque foi justamente por ela que fiz o segundo pedido.


O primeiro teste mostrou que, com tensão de entrada de 12 V, a corrente máxima era de 2.9 A. Mas fiquei na dúvida e fiz mais alguns testes; em todos os seguintes, o máximo foi de 2.8 A. Além disso, o desligamento é abrupto, sem uma queda gradual da tensão; em algumas situações, isso pode ser útil.


A placa consegue fornecer 3 A, mas só por alguns segundos; depois a tensão cai e ela desliga.


Com tensão de entrada de 24 V, a placa também conseguiu fornecer no máximo 2,8 A. A tensão de saída até cai conforme a corrente aumenta, mas se mantém muito estável: a diferença entre a corrente máxima e o funcionamento sem carga é de apenas 0,1 V, já considerando a queda no conector.
A queda medida no conector foi de 6+14 mV (20 mV no total) com corrente de 1 A, ou 60 mV com corrente de 3 A; portanto, sem considerar o conector, a queda é de apenas 40 mV.


Tabela de medição da eficiência, cada passo corresponde a 200 mA de corrente.


E o gráfico; acho que aqui dá para ver melhor.


Esquenta como um forno, isso é verdade. Primeiro testei com corrente de 1,25 A, e a temperatura chegou a 63 graus. Depois quis deixá-la funcionando por bastante tempo com 2,5 A, mas a placa acabou superaquecendo e desligando até mesmo com 2,3 A.
Abaixo estão três imagens térmicas: 12 V com 1,25 A e 2 A, e 24 V com 2 A.


Ripple com tensão de entrada de 12 V e corrente de carga de 0, 1, 2 e 2,8 A. Desconsiderando os picos, fica em torno de 30–40 mV.


Mas, com entrada de 24 V, o resultado é bem pior. Com corrente de carga de 0–1,2 A, fica mais ou menos como antes; já com 2,8 A, chega a cerca de 110 mV sem considerar os picos. A última captura foi feita de propósito na mesma escala, para facilitar a comparação.



Agora, a placa do "tipo um".


Aqui, a tensão de saída se mantém tão bem quanto na placa anterior, mas a corrente máxima chegou a 3 A, tanto no primeiro teste quanto nos seguintes. O desligamento também é abrupto.


Com tensão de entrada de 24 V (esqueci de alterar o título), a corrente de saída chegou a 3,2 A, bem mais do que os 2,8 A da placa anterior.


Medição da eficiência: o passo continua sendo de 200 mA, mas aqui houve um nível a mais com entrada de 12 V e dois a mais com entrada de 24 V.
Por algum motivo, a queda no conector foi menor aqui. Na placa anterior, com corrente de 1 A, era de 6+14=20 mV; nesta, foi de 2+11=13 mV. A queda no condutor de terra é menor porque a conexão também passa pela carcaça do conector.


Eficiência em forma de gráfico.


O aquecimento também é bem menor. As duas primeiras imagens térmicas foram feitas como antes, com entrada de 12 V e corrente de carga de 1,25 A e 2 A; a terceira, com 24 V e corrente de carga de 2,3 A, sem que a placa desligasse.


O ripple também é bem menor aqui, cerca de metade, e fica em torno de 20 mV sem considerar os picos, embora ainda esteja longe dos 10 mV especificados. Corrente de carga de 0, 1, 2 e 3 A.


Com tensão de entrada de 24 V, o resultado é pior do que com 12 V, mas bem melhor do que na placa anterior, especialmente com a corrente de carga máxima. Aqui, todos os oscilogramas estão na escala de 10 mV/div; na placa anterior, era de 20 mV/div.


Gráfico comparativo das medições de eficiência das duas placas. À esquerda, com 12 V; à direita, com 24 V.
Com 12 V, a eficiência das placas é praticamente igual, mas com 24 V a placa do "tipo um" supera com folga a do "tipo dois".


Mais tarde, só por curiosidade, calculei a eficiência sem considerar o resistor de entrada que funciona como fusível, o diodo de proteção e as quedas nos conectores. Não vou mostrar a fórmula completa, mas com tensão de entrada de 24 V, o resultado ficou 1–2% maior, dependendo da corrente de carga.
No gráfico, a linha azul mostra o resultado sem considerar as perdas parasitas nesses componentes, mas, de qualquer forma, não consegui chegar a 97%.


Para concluir, as duas placas funcionam, mas, na minha opinião, a do "tipo um" é bem melhor. Se for comprar, recomendo sem dúvida essa.
Além disso, dá para aumentar bastante a eficiência removendo o diodo de proteção contra inversão de polaridade e colocando um jumper no lugar. Aliás, ele esquenta bastante durante o funcionamento e acaba aquecendo também o controlador PWM, que então desliga por superaquecimento. Acho que, sem o diodo, a placa consegue fornecer 2,5 A continuamente sem problemas.

É isso por hoje. Como sempre, vou ficar feliz em responder às perguntas e ler os comentários.