Перетворювачі напруги — компактні, потужні, з гальванічною розв’язкою

У сьогоднішньому огляді йтиметься про малопоширені, специфічні, але іноді дуже потрібні пристрої — потужні компактні перетворювачі напруги. Специфічні вони насамперед тим, що мають малопоширений серед саморобників діапазон вхідної напруги 36–75 В. Але саме про такі перетворювачі мене вже кілька разів запитували, тож я вирішив заповнити цю прогалину, адже оглядів подібних перетворювачів мені ще не траплялося.


Спочатку про те, навіщо взагалі потрібні такі перетворювачі.
1. Для електротранспорту, що набуває поширення: скутерів, велосипедів тощо.
2. Для живлення пристроїв із підвищеними вимогами до надійності перетворювача.

Мене неодноразово запитували про перетворювачі для використання в малому електротранспорті: батарея там часто має напругу близько 60 В, а більшість перетворювачів, що продаються, не можуть працювати за такої напруги.
Крім того, постає питання захисту від пробою ключового транзистора, якщо йдеться про StepDown, тому я зазвичай радив купувати перетворювач із гальванічною розв’язкою — не через саму розв’язку, а тому, що в таких перетворювачів імовірність отримати щось небезпечне на виході на порядки нижча.

Загалом я замовив три варіанти перетворювачів, тим паче ціна справді копійчана. Два замовив в одного продавця, а один — в іншого, тому й прийшли вони у двох пакунках. Кожен перетворювач лежав у рідному гнізді, вирізаному зі спіненого поліетилену. Власне, спочатку вони й постачаються в таких гніздах, тільки більших.


Отже, представляю учасників тесту.
1. RBQ-31251 — вихідна напруга 9.7 В, струм до 40 А, ціна $2.81, посилання.
2. QBW018A0B — вихідна напруга 12 В, струм до 18 А, ціна $5.47, посилання
3. RBQ-8,2/45 — вихідна напруга 8.2 В, струм до 45 А, ціна $3.12, посилання.

Згідно з даташитами (про них пізніше), усі перетворювачі мають однаковий діапазон вхідної напруги 36–75 В і однакові розміри — 57.9 х 36,8 мм, а щонайменше два відповідають промисловому стандарту Quarter brick: (57.9x 36.810.6 mm).


Блоки важкенькі — від 50 до майже 100 грамів.


Почну опис із моделей RBQ-31251 і RBQ-8,2/45. Спочатку я не звернув на це уваги, але вже після отримання зрозумів, що, по суті, це одна й та сама модель, яка відрізняється лише вихідною напругою та наявністю радіатора в RBQ-31251.


Знизу плати повністю ідентичні.


Можна було б припустити, що й маркування має бути дуже схожим, але ні: спільні в них лише фірма-виробник і серія — RBQ.
До речі, щодо фірми: наскільки я можу судити, у цьому випадку це продукція дуже відомої компанії Murata. Імовірність підробки мізерна, адже підробляти пристрої такого класу, щоб потім продавати їх за кілька доларів, просто недоцільно.


Першим іде RBQ-8,2/45. Спочатку — опис із даташита виробника. Даташит не саме на цю модель, а на іншу, але з тієї ж серії. До речі, у даташиті є позначка Discontinued, тобто офіційно цей перетворювач уже не виробляють, а продають складські залишки.


А ось такий він має вигляд у реальності.



Розміри друкованої плати та призначення контактів.


Попри доволі просту функціональність пристрою, компонентів установлено чимало, причому частину з них закрито невеликим радіатором.


Трансформатор і дросель додатково зафіксовані герметиком.


Контакти доволі масивні, явно мідні й, судячи з усього, позолочені. Але яка ж у них теплопровідність... Мені довелося взяти потужний паяльник, щоб припаяти тестові дроти до вихідних контактів, причому було помітно, як нагрівається більша частина плати.
Зліва — вхід, справа — вихід.


З боку входу є три контакти, середній — увімкнення перетворювача. Тут зроблю невелике застереження: одні перетворювачі вмикаються логічною одиницею, інші — нулем, залежно від індексу. Спочатку я подав живлення на перший перетворювач, але він не запрацював. Потім — на другий, уже подумав, що бракований. Коли не захотів працювати й третій, стало зрозуміло, що я просто щось роблю не так. З’ясувалося, що ці моделі вмикаються нулем, тобто для ввімкнення треба з’єднати середній контакт із мінусом входу.

Уся справа в схемі з даташита, де показано логіку для іншого типу сигналу керування :)


Роботою блока живлення керує ШІМ-контролер LM5035.


При цьому цей контролер керує не лише первинною, а й вторинною стороною, а точніше — роботою синхронного випрямляча.


Контроль струму здійснюється через спеціальний трансформатор.


По суті, ця плата — звичайний блок живлення, тільки для низької вхідної напруги; є звичний оптрон і міжобмотковий конденсатор.
На вторинній стороні є кілька місць під резистори, припускаю, що так задається вихідна напруга.


Крім того, на сторінці продавця є кілька фото: спочатку показано резистор на платі номіналом 2кОм.


А потім іде порада: мовляв, якщо замість цього резистора послідовно ввімкнути постійний на 1.5 кОм і змінний на 4.7 кОм, то вихідну напругу можна змінювати в діапазоні 6-10 Вольт. Причому на сторінці перетворювача з вихідною напругою 9.7 діапазон становить 6-10, а в моделі на 8.2 Вольта він зміщений у менший бік і становить 3.4-8.7 Вольта, але резистори потрібні не 1.5 кОм + 4.7 кОм, а 2 і 10.

Отже, виходить:
Модель із вихідною напругою 9.7 Вольта можна регулювати в діапазоні 6-10 Вольт із резисторами 1.5 і 4.7 кОм.
Модель із вихідною напругою 8,2 Вольта можна регулювати в діапазоні 3.4-8.7 Вольта із резисторами 2 і 10 кОм.


На виході встановлено транзистори AON6240, 40 Вольт, 85 Ампер, 1.6 мОм.
На вході — FDMS86322, 80 Вольт, 60 Ампер, 7.65мОм.
Ну і ще різні дрібні детальки.


Другий перетворювач — майже повна копія. Ключова відмінність у тому, що в нього є невеликий радіатор, який закриває один бік плати.


Під радіатором така сама плата, як показано вище; фото зі сторінки товару.


Є додаткові стійки, а виводи для підключення мають збільшену довжину.




Думаю, ви вже звернули увагу на незвично товсту друковану плату. Виміряна товщина становить близько 3.5мм проти 1.5мм у звичайних плат. Як ви розумієте, зроблено це не просто так.


Уся річ у тім, що в цих перетворювачах трансформатор і вихідний дросель інтегровані в друковану плату, тобто тут немає звичного дроту, а його роль виконує багатошарова друкована плата.


Таке рішення трапляється там, де потрібно отримати компактний і високоефективний пристрій, а також у військовій техніці.


Переваг багато.
1. Кращий зв’язок між обмотками
2. Менша індуктивність розсіювання
3. Можливість зменшити товщину виробу
4. Вища технологічність.

При цьому можна інтегрувати не лише обмотки, а й систему їх охолодження, якщо можна так висловитися. Докладніше тут.


Найчастіше використовують Ш-подібні осердя.


Крім того, є кілька варіантів виготовлення.
1. Трансформатор у вигляді окремого виробу.
2. Так само, як у п. 1, тільки осердя втоплене у вікно друкованої плати.
3. Гібридний: частина обмоток виконана у вигляді окремої плати, частина — у складі основної. На мій погляд, найкраще підходить для високовольтних виробів.
4. Повністю інтегрований трансформатор/дросель, усі обмотки є частиною основної плати. У розглянутих перетворювачах використано саме цей варіант.


Для таких застосувань випускають і спеціальні осердя, що відрізняються малою висотою. Докладніше почитати можна тут, це дуже корисна стаття на сайті однієї харківської фірми.


Вище я написав про поліпшення зв’язку між обмотками, спробую буквально кількома словами пояснити цей нюанс.
1. Найгірший варіант розташування обмоток — на різних частинах одного магнітопроводу. Для імпульсної техніки не підходить. Якщо спробуєте так зробити який-небудь трансформатор для імпульсного БЖ, то, найімовірніше, життя в нього буде яскравим, але недовгим.

А далі — вигляд каркаса в розрізі та шари обмоток.
2. Найпростіший варіант — одна обмотка над іншою. Працює, але на малих потужностях. Власне, проблеми не залежать від потужності, просто за великої потужності вони проявляються яскравіше, зазвичай у вигляді підвищеного нагрівання снабера (гасника паразитних викидів), оскільки через поганий зв’язок між обмотками енергія повільніше переходить у навантаження, а чимала її частина йде в первинну сторону (я дуже спростив).
3. Щоб поліпшити ситуацію, часто спочатку намотують першу частину первинної обмотки, потім вторинну, а тоді другу частину первинної. При цьому первинна обмотка ніби "обіймає" вторинну й забезпечує кращий зв’язок між обмотками, тобто в момент перемикання транзистора інвертора струм швидше піде в навантаження (якщо можна так висловитися), і снаберу дістанеться менше.
4. А це приклад "намотування" планарного трансформатора: можна отримати те, чого майже ніколи не роблять у звичайних трансформаторах, — багатошаровий сендвіч. Річ у тім, що за звичайного намотування реалізувати таке технологічно складно, зате для планарного трансформатора це не становить труднощів. Тут зв’язок між обмотками майже ідеальний, відповідно, таке рішення має вищий ККД, а також менші викиди в первинну сторону й менше роботи снаберу.

До речі, неправильне намотування трансформатора — поширена помилка новачків, які ще не розуміють, що важливе не лише співвідношення витків обмоток, а й правильне їх укладання. Причому що потужніший БЖ, то гостріше проявляється ця проблема. Власне, це приблизно те саме, що й трасування друкованої плати: треба не лише з’єднати компоненти згідно зі схемою, а й врахувати взаємний вплив доріжок одна на одну.


Перейдемо до другого типу перетворювача. У цьому випадку він розрахований на популярнішу напругу — 12 Вольт — і забезпечує струм до 18 Ампер.
У цьому випадку ситуація трохи простіша: є рідний даташит.


Зовнішній вигляд не надто відрізняється від попереднього: той самий формфактор і така сама вхідна напруга.


До речі, щодо вхідної напруги: в описі вказано діапазон 36-75 Вольт, а в графі максимальних значень також зазначено 75 Вольт і 80 Вольт, якщо перетворювач перебуває в "сплячому" режимі. Деякі продавці не радять подавати понад 60 Вольт, я б рекомендував обмежитися напругою 65, максимум 70.


Трансформатор тут менший, але й потужність майже вдвічі нижча — близько 200 Ватт.


Радіаторів на платі тут уже немає.


Оскільки формфактор перетворювача стандартний, то й розміри такі самі, як у попереднього.


Контакти для підключення тут трохи простіші. Цікаво, що торець виводу проводить струм, але всередині він схожий на текстолітовий стрижень, обгорнутий фольгою. Не паяється, але має чудову теплопровідність.


Плата має точно таке саме розташування контактів і їхнє призначення, тобто можна випаяти один модуль і без проблем запаяти інший, якщо потрібні інші параметри.


Крім того, перетворювачі такого типу іноді мають можливість паралельного ввімкнення. Для цього в деяких модифікаціях є відповідний контакт для синхронізації роботи. У результаті плати можна складати у вигляді сендвіча.
До речі, коли шукав приклад, натрапив на плату виробництва Murata, яку показував раніше.


Як я вже писав, радіаторів тут немає, тому всі компоненти "як на долоні". Ліворуч — вхідна частина, праворуч — вихідна.


На фото вище видно маркування модуля. Цікаво, що спочатку я знайшов даташит на такий самий модуль, але від іншого виробника, і лише потім завантажив даташит зі сторінки продавця. Як то кажуть — знайдіть відмінності.
Хоча даташит від Tyco випущено на 4 роки раніше, та й узагалі виходить цікава ситуація: ось уже 14 років виробляють цікаві високоефективні перетворювачі напруги, а «в маси» зазвичай іде щось у суперекономних варіантах.


Тут також застосовано планарний трансформатор і дросель.


Про компоненти особливо нічого сказати, зазначу лише, що плата має два оптрони: один для зворотного зв’язку, другий — для захисту від перевищення напруги на виході.



Ну а тепер тести. Почну з моделі RBQ-8,2/45. Модель RBQ-31251 перевіряти особливого сенсу не бачу, адже вони як близнюки. Хіба що у варіанті з радіатором можна буде зняти трохи більшу потужність без примусового охолодження.

І одразу невелике розчарування — споживана потужність.
У режимі очікування споживання становить близько пів ватта. Що вища вхідна напруга, то менша споживана потужність. На мій погляд, забагато, особливо за автономного живлення. Крім того, я сподівався, що вхід запуску можна використовувати саме для переходу в режим мікроспоживання, а не розмикати коло живлення. Ви, можливо, запитаєте: а чому б просто не розривати коло живлення? У цьому й проблема: контакти звичайних вимикачів і реле розраховані максимум на 30 В постійного струму, а тут напруга цілком може бути вдвічі більшою.


З’єднуємо вхід керування з мінусом живлення — і перетворювач запускається. На виході 8.271 В.



А от споживана потужність без навантаження мене справді здивувала — близько 4 Вт. Причому зі зростанням вхідної напруги струм падає, але потужність усе одно трохи зростає.
Приблизно те саме відбувається і під навантаженням: зі зниженням вхідної напруги потужність трохи зменшується, зі зростанням — збільшується.


Тепер можна приблизно оцінити ККД і залежність вихідної напруги від споживаного струму.
На вході маємо 70.3 Вт, на виході — 65.1 за споживаного струму майже 8 А. ККД становить близько 92.6%
За струму 16 А на вході маємо 136.7 Вт, на виході — 130.8, ККД близько 95.7%


Через 20 хвилин перетворювач нагрівся майже до 90 градусів, після чого температура перестала зростати.


Для перевірки за великих струмів споживання мені довелося взяти потужніший блок живлення та навантаження, здатне споживати струм до 40 А за потужності до 300 Вт.
У підсумку
Вихідний струм — 23.9 А, напруга — 8.195 В, ККД близько 98%
За струму 31.9 А напруга просіла до 8.163 В, ККД становив 97.7%

За такої потужності вже потрібне активне охолодження. Перетворювач хоч і має високий ККД, але через деякий час починає перегріватися.


Максимум, який мені вдалося навантажити, — струм 37.9 А. Потужність близько 300 Вт, ККД приблизно 97.9%

Звісно, розрахунок ККД має велику похибку, адже на нього впливає точність вимірювання одразу чотирьох параметрів, але результат усе одно непоганий.


За обдування невеликим вентилятором і вихідної потужності 300 Вт температура становила близько 60 градусів.


Розмах пульсацій і їхня форма майже не відрізняються ні без навантаження, ні за струму 38 А.
Осцилограми отримано за струму 0, 8, 16, 24, 32, 38 А.


Тести другого перетворювача будуть трохи коротшими.
1. У «сплячому» режимі він споживає вдвічі більше, що дуже прикро :(
2, 3, 4. У режимі роботи без навантаження споживана потужність більша, ніж у попереднього, і також залежить від вхідної напруги.


Без навантаження вихідна напруга трохи вища за заявлену й становить майже 12.2 В.


ККД і вихідна напруга за струму навантаження 6, 12 і 18 А.
1. 95,4%
2. 95%
3. 95.5%


Форма й амплітуда пульсацій зовсім не змінюються ні під час роботи без навантаження, ні за максимального струму й становлять близько 100 мВ.


Тест на перегрівання проводився за струму 10 А з пасивним охолодженням.


Результати так собі: приблизно через 15 хвилин перетворювач нагрівся до 102 градусів, ще через деякий час — до 111, а далі температура майже не змінювалася.


Нагрівання впливає і на вихідну напругу: різниця між холодним і гарячим станом становила близько 0.1 Вольта.


За половинного навантаження перетворювач стабільно працює в діапазоні 36-60 Вольт, причому в діапазоні 48-60 Вольт споживання ніяк не змінюється, а за 36 трохи знижується.


А от за повного навантаження перетворювач стабільно працював лише за вхідної напруги 44-45 Вольт; якщо знизити її ще, спрацьовував захист. Споживана потужність (а отже, і ККД) у діапазоні 45-60 Вольт однакова.


Крім того, другий перетворювач випадково перевірили на захист від КЗ — спрацював на відмінно: перетворювач перейшов у режим захисту й чекав, поки йому перезапустять живлення.

Є версії подібних перетворювачів і з більшим радіатором, які можуть віддавати до 500 Ватт.


Час підбити підсумки. Коли починав писати огляд, думав, що він буде рази в три коротшим, але якось несподівано розрісся :(

Тепер про перетворювачі.
У першого не дуже зручні варіанти вихідної напруги, але принаймні вони були в наявності й коштували недорого. Зате в цьому випадку це фірмові пристрої з високим ККД, великим вихідним струмом і якісним складанням.
За кімнатної температури RBQ-8,2/45 може віддавати до 15-16 А без додаткового охолодження.
З RBQ-31251, думаю, можна розраховувати на 20-, а може, навіть 25 А, оскільки він має додатковий радіатор.
Щодо ціни й говорити нічого: за ці гроші зазвичай продають щось на базі китайських ШІМ-контролерів і з гіршими характеристиками.

А от із QBW018A0B (12 Вольт 18 Ампер) ситуація гірша: думаю, без примусового охолодження навряд чи вдасться довго знімати понад 8 А. Як варіант, можна встановити на нього радіатор.

До всіх перетворювачів є лише одне суттєве зауваження — струм споживання в «черговому» режимі та в робочому режимі без навантаження. На мій погляд, 0.5-1 Ватт у вимкненому стані й близько 4 без навантаження — це дуже багато. І якщо з першим ще якось можна змиритися, та й можна просто встановити електронний вимикач, то друге виправити не вийде: ці моделі явно розраховані на роботу з великими струмами.

На цьому все, сподіваюся, що зібрав корисну інформацію і, можливо, вона комусь стане в пригоді.


Спонсором цього огляду став посередник yoybuy.com, який узяв на себе оплату доставки. Партнерське посилання для реєстрації, новачкам бонусний купон 10 від 50.