DC-DC перетворювач із функцією QC 3.0

Давно я не розповідав про перетворювачі напруги, і сьогодні в мене огляд не просто перетворювача, а пристрою з додатковою можливістю роботи за протоколами QC 2.0 і 3.0.
Огляд буде не дуже великим, але сподіваюся, що корисним.


Я вже публікував багато оглядів перетворювачів, де пояснював теорію, показував застосування на практиці та варіанти доопрацювання. Але цього разу вирішив трохи скоротити огляд і розповісти лише про сам перетворювач.

Коли отримав замовлення, то навіть трохи здивувався розміру паковання, особливо порівняно із самим перетворювачем.


Сам перетворювач досить компактний, за розміром приблизно як сірникова коробка. Щоправда, збоку був залишок текстоліту, який я пізніше відламав; без нього розміри плати становлять 52х30х13мм


На сторінці магазину вказані основні характеристики, з яких можна зрозуміти, що:
Вхідна напруга — 12-36 Вольт
Вихідна напруга — 5.2 Вольта
Максимальний вихідний струм — 5 Ампер
Режими роботи Quick charge — 5/9/12 Вольт
Типовий ККД — понад 93%

«За кадром» залишилося значення вихідного струму за напруги 9 і 12 Вольт. Крім того, вказано діапазон вхідної напруги від 12 Вольт, але слід враховувати, що перетворювач знижувальний, тому за вхідних 12 на виході буде менше.


Зовні плата має досить непоганий вигляд: на вході встановлена подвійна клемна колодка, на виході — USB-роз'єм.
Є чотири монтажні отвори, відстань між ними — 46х24мм.


На вході встановлений конденсатор 220 мкФ х 50 Вольт, на виході — 470х35 Вольт. За напругою запас більш ніж достатній, за ємністю я б поставив на виході трохи більше, але насправді й так працює нормально.


Далі я розповім про складові вузли перетворювача, але спочатку покажу їхнє розташування на платі — так буде простіше зорієнтуватися.
1. Червоний — власне перетворювач напруги.
2. Жовтий — чип QC 2.0/3.0
3. Синій — транзистор захисту від переполюсування вхідного живлення


Тепер трохи докладніше.
Знижувальний перетворювач напруги побудований на базі ШІМ-контролера LM3150, двох польових транзисторів і дроселя.


Цей ШІМ-контролер керує двома транзисторами, реалізуючи схему синхронного випрямлення для підвищення ККД. Крім того, він має широкий діапазон вхідних напруг (заявлено від 6 до 42 Вольт) і може працювати на частоті до 1 МГц.


Крім того, цей контролер має дуже просту схему ввімкнення з мінімальною кількістю компонентів, а також джерело бутстрепного живлення, що дає змогу використовувати верхній транзистор N-типу. Зазвичай такі транзистори мають кращі характеристики, ніж транзистори P-типу.
Мінімальна вихідна напруга перетворювача — 0.6 Вольта, але це стосується лише самого чипа, а не цієї реалізації.


Біля вхідної клемної колодки розташований контролер, що відповідає за режими Quick Charge. На мій погляд, місце для нього досить дивне: логічніше він виглядав би біля вихідного роз'єму. Щоправда, я не розбирався з трасуванням, можливо, у розробників були свої причини.


Цей контролер може працювати у двох режимах — QC 2.0 і QC 3.0. Для більшості користувачів відмінності між ними не критичні:
QC 2.0 — перемикання вихідної напруги 5/9/12/20 Вольт
QC 3.0 — плавніше перемикання в діапазоні 3.6-20 Вольт із кроком 0.2 Вольта.

QC 3.0 дає змогу гнучкіше налаштовувати вихідну напругу джерела, але найчастіше вистачає і фіксованих значень 5/9/12, а 20 застосовується вже помітно рідше.



Принцип роботи всієї цієї системи дуже простий: контролер отримує інформацію про те, яку напругу має видати джерело живлення, і, втручаючись у коло зворотного зв'язку, змінює вихідну напругу на запит споживача.
Команди керування — це комбінації напруг на лініях даних USB; нижче на скриншоті видно значення напруг і відповідну їм напругу живлення.
У таблиці не вказана комбінація для подавання 20 Вольт — 3.3 Вольта на обох лініях, а також 0.6/3.3 Вольта для роботи режиму QC3.0.
Докладніше можна почитати у Вікіпедії.


Біля USB-роз'єму сховався маленький синій світлодіод. Він підключений до USB-роз'єму, і його яскравість змінюється залежно від вихідної напруги. USB-роз’єм я не тестував, але зовні він виготовлений досить непогано, хоча я все одно не рекомендував би використовувати його за великих струмів навантаження.


Про всяк випадок — детальніше фото окремих компонентів.


Знизу компонентів немає, цей бік плати частково використовується як тепловідвід. Біля USB-роз’єму є залуджені контактні майданчики, я використовував їх для підключення навантаження — так надійніше за великих струмів.


Для перевірки роботи перетворювача я використовував USB-тестер із функцією емуляції протоколу Quick Charge. За замовчуванням вихідна напруга становить 5.24-5-25 В, що не виходить за межі допусків стандарту 4.75-5.25 і дає змогу компенсувати падіння напруги на кабелі живлення навантаження.


1. Щоб перевірити можливості, я використав інший тестер із функцією автоматичного визначення; список доступних режимів — на фото.
2. У режимі QC 3.0 крок зміни напруги становить 0.2 В.
3. Мінімально можна встановити 3.86 В.
4. Максимально — майже 12.3
5. Завищена вихідна напруга — це вже «заслуга» самого перетворювача, адже він завищує її майже однаково в усіх режимах. Тобто задаєте 5 В, на виході отримуєте 5.2, а замість 9 — відповідно близько 9.2. Як на мене, це не дуже добре, хоча й вкладається в межі допуску.
6. Якщо встановити 20 В, на виході все одно буде 12 — це обмеження застосованого контролера Quick Charge


Спроба отримати щось більше за 5 В із моїм Lenovo P2 завершилася невдачею: максимум — 5 В, 2 А. Це зумовлено тим, що в Lenovo використовується MTK Pump Express, а не Quick Charge.


Для подальших експериментів я використовував регульований блок живлення, електронне навантаження та USB-тестер, який слугував тригером QC і надсилав команди для встановлення певної напруги.


Без навантаження перетворювач споживає струм 30 мА. Цікаво, що струм не залежить від вхідної напруги, тому за вхідної напруги 36 В перетворювач споживає понад 1 Вт. На мій погляд, споживання на холостому ходу дуже велике, і про це слід пам’ятати, використовуючи живлення від акумуляторів.


Подальші тести сховано під спойлером, щоб не перевантажувати огляд.


Усі результати тестів я звів в одну таблицю, де показав вихідну напругу та ККД залежно від вхідної напруги.
Уже після того, як вніс дані, помітив, що:
1. За вхідної напруги 15 В вихідна напруга 12 В помітно просідає — аж до 10.74
2. Зі зростанням вхідної напруги трохи зростає і вихідна. За вхідної напруги 24–36 В виходить за межі 5.25 В.
3. За певного співвідношення вхідної та вихідної напруги, а також струму навантаження ККД сягає 94–94.3%, але трапляються й ситуації, коли ККД знижується до 82.9%, що явно нижче за типові 93%, заявлені в характеристиках.



Підсумовуючи, можу сказати таке:
1. Перетворювач працює
2. Якість виготовлення досить непогана.
3. Нормально працюють і QC 2.0, і QC 3.0
4. Є захист від переполюсування на вході.
5. Відносно непогана елементна база.
6. Судячи з нагрівання, максимальний тривалий струм за вихідної напруги 5 В — 3.5–4 А, 9 В — 2–2.5 А, 12 В — 1.7–1.8 А. Короткочасно перетворювач нормально видає за 5 В — 5 А, 9 В — 3 А, 12 В — 2.5 А.
7. Розмах пульсацій за вихідної напруги 5 В, а також у режимі холостого ходу становить близько 150–175 мВ, що дуже багато.

Якщо коротко, перетворювач мені радше сподобався, ніж ні. Працює стабільно, проблем не створював, користуватися можна, хоча й із певними застереженнями.

На цьому все, як завжди, чекаю на запитання, сподіваюся, інформація була корисною.