MeanWell PSC-160A-C: усунення недоліків, доопрацювання та доповнення до огляду

Буквально зовсім недавно я опублікував огляд блока живлення з функцією ДБЖ, у якому його критикував. Частково це було справедливо, частково — ні, і сьогодні я хочу розповісти і про це, і про те, як доопрацювати цей блок живлення, щоб отримати правильніший (на мій погляд) баланс струмів заряджання та основного виходу.


Почну сьогоднішню статтю з вибачень за помилки, допущені під час підготовки попереднього огляду, через які результати тестів виявилися гіршими, ніж є насправді. Найімовірніше, попередній огляд буде перероблено, але сьогодні я хотів би пояснити, що сталося і чому.

Минулого разу я писав і демонстрував, що блок живлення на основному виході може видати не більше 9А, причому мене здивувало, що цей струм не залежить від того, заряджається акумулятор у цей момент чи ні. Це було справді дивно, і тоді я відклав з'ясування причин «на потім».


Яким же було моє здивування, коли під час підготовки відео про цей блок живлення я без проблем отримав на виході струм 15.6А під час тесту з навантаженням.
Як так, адже я тестував цей блок, і він стабільно видавав лише 9А, ну, може, трохи більше...


Якщо акумулятор заряджався одночасно, струм спрацьовування захисту був відповідно на 4 ампери меншим. Це видно з того, як напруга на виході починає різко знижуватися, а потім знову підніматися: блок вимикається, переходить на акумулятор, перезапускається, переходить у захист, знову переходить на акумулятор і так далі.


Очевидно, щось не так. І тут я згадав, що буквально за кілька днів до цього примудрився спалити своє електронне навантаження: увімкнув його на максимальну потужність за граничної напруги, коли воно вже було добряче нагріте.
Я, звісно, одразу його полагодив, про що навіть планував написати, а тепер уже точно це зроблю.

Після короткого замикання я розібрав його й вийняв силову плату. Від'єднувати всі дроти не став.


Відкрутивши плату, побачив, що під одним із транзисторів термопасти явно замало, та й загалом її було небагато.


Але виявилося, що вийшов з ладу саме той транзистор, під яким термопасти було більше.


Згадавши, що я якраз купував відповідні транзистори і для переробок, і для нових пристроїв, дістав один із пакетиків і відібрав пару з однаковими номерами.


Прочистив отвори в платі зубочисткою, встановив нові транзистори, прикрутив плату на місце без термопасти й лише після цього припаяв їх. Річ у тім, що транзистори встановлюються жорстко, тож їх потрібно точно встановити, без перекосів. Тому їх припаюють уже після встановлення.
Потім зняв плату й наніс термопасту.


Після всіх цих операцій нормально встановив плату й зібрав навантаження.


Під час тестування блока живлення все начебто йшло чудово. Єдина дивина полягала в тому, що під час вимірювання рівня пульсацій з'явилася якась паразитна наводка з частотою мережі. Я не став одразу з цим розбиратися, а просто взяв інше навантаження й провів ці тести вже з ним, тож на решту результатів тестів це не вплинуло, але сумнів закрався.


Проблема виявилася цілком випадково, причому опосередковано. Під час тестування акумуляторів з'ясувалося, що моє навантаження не може навантажити його струмом понад 9.5-9.6А. Збіг значення струму з попереднім тестом випадковий.


І тут я зрозумів, у чому проблема, причому для цього мені навіть не довелося розбирати навантаження — як то кажуть, усе стало на свої місця.

Схоже, нові транзистори потребують вищої напруги для повного відкривання, ніж ті, що стояли раніше. І все було б нічого, але, найімовірніше, живлення вихідного ОП, який керує транзисторами, становить 5 вольт, тому за низької напруги й великого струму вони не можуть нормально відкритися. А оскільки в такому режимі навіть невелика зміна напруги на затворі може впливати на опір відкритого каналу, то наведення від блока живлення (у мене звичайний трансформатор) якраз і створюють невеликі пульсації з частотою мережі (а точніше, з подвоєною частотою).

На роботу з акумуляторами це майже не впливало, але, схоже, блок живлення від Мінвела виявився чутливим до таких проблем, а можливо, і сам своїми ВЧ-пульсаціями провокував нестабільну роботу навантаження.
Загалом вийшло так, що захист блока живлення спрацьовував раніше, ніж мав би, а винною була комбінація навантаження з його «особливостями» та низькою стійкістю блока живлення.

Для огляду я зрештою використав свій основний, перевірений роками, але тоді мені не спало на думку підняти струм вище 8-9А.


Зрозумівши, що ДБЖ може більше, ніж було показано в огляді, і до того ж струм на основному виході нормально залежить від того, заряджається акумулятор чи ні, я вирішив довести його «до ладу».
Спочатку мене збивало з пантелику те, що струм навантаження не залежав від того, заряджається акумулятор чи ні, і це було дивно. Тим паче, що струм заряджання становив 4А — більше половини вихідного струму ДБЖ.

Друга причина переробки може бути корисною не лише для збільшення струму навантаження, а й для подовження строку служби акумулятора, якщо він свинцево-кислотний.
Річ у тім, що для сучасних LiFePO4 струм заряджання 4А можна назвати навіть малим, а для свинцевого акумулятора він дуже великий.

Для прикладу: фірмовий акумулятор CSB HRL-1234W-F2-FR, 9А·год, 12 вольт. За інструкцією максимальний тривалий струм розряджання — 66А, короткочасний — 130А, водночас максимальний струм заряджання, згідно з тією ж інструкцією, становить лише 3.4А. Цей струм навіть зазначено на самому акумуляторі!
Відповідно, 4А для нього — забагато.


Загалом вирішив одразу вполювати кількох «зайців».
1. Зменшити струм заряджання до 1-1.2А
2. Якщо вдасться зменшити струм заряджання, то відповідно можна збільшити струм навантаження на основному виході на отриману різницю.
3. Зменшити акустичний шум: під час заряджання акумулятора блок живлення неприємно пищить.
4. Зменшити паразитне падіння напруги під час живлення від акумулятора.

Для цього доведеться лізти в схему, побудовану на двох мікросхемах: контролері синхронного випрямляча TEA1761 та ОП AP4310. Струм вимірюється на шунті опором 20мОм.


Насправді за зворотний зв’язок як за напругою, так і за струмом відповідає TEA1761. У даташиті навіть наведено схему підключення, де Rsense — це і є вимірювальний шунт.


Звісно, найпростішим рішенням було б зменшити номінал вимірювального шунта, просто замінивши його, наприклад, на 0.1Ома. Тоді струм заряджання пропорційно знизився б до 800мА.
Але проблема в тому, що через цей шунт проходить струм, коли вихід живиться від акумулятора, а навіть у початковому вигляді різниця між входом і виходом становить майже 0.4 вольта. За струму 10А ця різниця перетворюється на 4 вати тепла. Уже потім я помітив, що через мої випробування навантаження трохи розплавився ізолятор під платою.

У режимі заряджання різниця, звісно, менша — 0.15В, але мене це не цікавило.

Тобто виходить, що шунт треба не збільшувати, а зменшувати, але для цього доведеться внести в схему суттєвіші зміни.


Усе було б добре, але порогова напруга входу ОС за струмом у TEA1761 становить 50мВ. До того ж після шунта стоїть ще й подільник, який заодно згладжує короткі сплески напруги. У підсумку за струму 4А з шунта надходить 80мВ, а після подільника виходить потрібні 50мВ, і простими способами зменшити цей поріг не можна.


Щоб не відволікатися на зайві компоненти, на схемі покажу лише те, що потрібно знати для доопрацювання. Нумерація компонентів і виводів мікросхеми відповідає реальній.


А це ті самі компоненти, але на платі.


Оскільки потрібно було підсилити сигнал із шунта, я встановив операційний підсилювач. Спочатку поставив резистори R2 і R3 на 20 і 2к відповідно — розрахункове підсилення становило 11 разів, тобто струм мав упасти до 360мА. Але чомусь струм упав значно сильніше, тож R2 замінив на 10к, відповідно підсилення стало 6 разів. ОП — LM358.


Під час експериментів заодно спалив запобіжник і трохи підпалив штатний шунт. Запобіжник замінив на компактний, на 20А, завдяки чому загальний опір зменшився приблизно на 2мОм.


Струм заряджання вийшов близько 460мА, але при цьому досить сильно коливався.


Паралельно штатному шунту 20мОм припаяв ще один із таким самим опором, тобто тепер шунт 10мОм, але струм зріс лише в півтора раза.
Ситуацію помітно поліпшило додавання конденсатора в коло живлення операційного підсилювача: електролітичного на 10мкФ + керамічного на 0.1мкФ. Струм став близько 0.97А.
Електролітичний конденсатор додає проблем, оскільки зазор між платою та шасі невеликий — навіть маленький конденсатор поміщається впритул.


Так виглядала конструкція, що вийшла.


Начебто все працює, але якось не так. Наприклад, струм заряджання залежав від струму навантаження: до 1.5-2А він становив показані вище 0.96А, а вище — 1.2А і стабільно тримався на цьому рівні.
Але, крім того, знову вилізла проблема з максимальним струмом у 9-9.5А, тільки тепер це відбувалося вже з перевіреним навантаженням. Очевидно, блок живлення працював дивно, і все це супроводжувалося тим самим писком, тон якого змінювався зі зростанням струму навантаження.


Я деякий час експериментував і вже думав повернути все назад, аж тут вирішив додати в коло встановлення коефіцієнта підсилення конденсатор ємністю 0.1мкФ і прибрати резистор, який поставив між шунтом і входом ОП.
Схема, що вийшла, мала вже такий вигляд.


Крім того, замінив провід, яким подавалося живлення на ОП, на інший, із більшим перерізом, але радше для надійності.
Ще раніше додав керамічні конденсатори паралельно конденсаторам фільтра й посилив одну з доріжок, щоб зменшити падіння напруги на ній.
Живлення береться від конденсатора над TEA1761. Поруч з ОП можна взяти живлення безпосередньо з виходу, але це призводить до нестабільної роботи схеми.


Усі компоненти без проблем монтуються навісним способом. На фото перший вивід позначено стрілкою, вивід 4 припаяний до залудженої площадки на платі — вона була залуджена від початку, решту виводів трохи відігнуто догори.
Вивід 5 з'єднується з виводом 4, а 6 і 7 з'єднані між собою — так я вимкнув другий, невикористовуваний ОП.


У такому вигляді блок працював майже ідеально: був невеликий шум у діапазоні струмів 1.5-2А, а також незрозумілий для мене шум за струму 3.9-6А, який проявлявся лише тоді, коли струм навантаження знижувався до вказаного значення.
Останнє можна усунути, додавши перемичку між мінусом конденсатора живлення TEA1761 і конденсатором дільника сигналу з виходу ОП.
Утім, це видно й на фото, але то вже дрібниці: шум у діапазоні 3.9-6А зник, а в діапазоні 1.5-2А залишився. Та в будь-якому разі цей шум ледь чутний, на відміну від початкового, коли блок досить голосно пищав.


Струм заряджання також став відповідати розрахунковому: 4А / 6 (підсилення ОП) х 2 (зменшення номіналу шунта) = 1.33А
При цьому паразитне падіння напруги в колі — запобіжник, контакти реле, шунт, доріжка на платі — зменшилося більш ніж у півтора раза й становило лише 227мВ проти початкових 390мВ.

Звісно, можна сказати, що різниця в падінні напруги до і після переробки мізерна. Так, у масштабах усього блока зайві 1.6Вт за струму 10А — дрібниця, близько 1%, але різниця між 2.27Вт і 3.9Вт, які розсіюються та нагрівають плату, дуже суттєва.


Для перевірки випробував блок у різних режимах — усе працює чудово, і тепер навіть у найважчому режимі (за моїм сценарієм використання), коли заряджання акумулятора лише почалося, вихідний струм може сягати 14.4А, а потужність на основному виході — до 170Вт. У міру заряджання акумулятора максимальна потужність, яку можна зняти, може бути ще більшою.


Отже, що маємо.
Блок живлення реабілітовано щодо максимального струму навантаження: проблема була в засобах вимірювання, а не в піддослідному.
Проблема з писком після зміни навантаження в деяких режимах трохи зменшилася, але в режимі заряджання акумулятора залишилася.

Після доопрацювання:
1. Струм заряджання зменшено з 4 до 1.3А. Можна було б зменшити його ще більше, але тут виникає проблема: напруга на акумуляторах піднімається менше, а оскільки після блока живлення в мене стоятиме DC-DC з 12 в 5 вольт, то мені вигідніше, коли напруга вища. Я навіть замислююся над тим, щоб встановити відсічення за глибоким розрядом вище за початкові 10 вольт.
2. Шум майже повністю усунуто, залишився ледь чутний у вузькому діапазоні струмів навантаження. Загалом можна прибрати й його, але мене влаштовує.
3. Нагрівання шунта зменшилося, оскільки його опір тепер 10мОм замість 20.
4. Оскільки опір шунта менший, стало можливим тривало знімати струм 10.5-11А, а короткочасно або за додаткового охолодження — до 14А, тобто майже вдвічі більше, ніж спочатку.
5. Зменшено загальне паразитне падіння напруги під час живлення від акумулятора.
6. Підвищено загальну стабільність роботи блока живлення та стійкість кола зворотного зв'язку, тепер він менш чутливий до навантаження.
7. Додано керамічні конденсатори паралельно конденсаторам фільтра, але це вже радше "косметика".

Зауваження щодо схемотехніки. Мені здається, що вся проблема криється в невдалому виборі мікросхеми синхронного випрямляча та кіл зворотного зв'язку. Там, де не завадила б тимчасова корекція кола ЗЗ, додати її не можна. Крім того, порогова напруга спрацьовування ЗЗ за струмом надто висока, тому доводиться використовувати шунт із відносно великим опором. Я навіть думаю, що струм заряджання 4А вибрали саме з цієї причини, що негативно позначається на параметрах, адже за загальної потужності 160Вт з основного виходу можна було знімати лише 105Вт.

Загальна вартість компонентів для доопрацювання — близько 25 центів навіть у разі купівлі в роздріб.

На цьому в мене все, сподіваюся, комусь це стане в пригоді :)