Знижувальний перетворювач напруги з вихідним струмом до 20 А

Для одного зі своїх проєктів мені знадобився потужний знижувальний перетворювач напруги, тож перед використанням я вирішив трохи його протестувати.
Невеликий огляд, тести, висновки.


Насправді мені потрібно було отримати струм до 40А за напруги 4.8-5 вольт, причому навантаження можна розділити й використати 2 перетворювачі по 20А. Але ризикувати й одразу замовляти пару не дуже хотілося, тож для початку вирішив узяти один на пробу.

До речі, це вже другий такий перетворювач, який я замовив. Деякий час тому я вже намагався його замовити, але мені надіслали менш потужну модель. Найприкріше, що помітив я це вже після завершення всіх термінів захисту покупця. Довелося замовляти ще раз, але вже в іншому магазині.

Пакування найпростіше: конверт і антистатичний пакет. Перетворювач компактний, розміри 60х52х28мм.


Заявлені параметри (зі сторінки товару)
Вхідна напруга: від 6 В до 40 В постійного струму (пропонується від 10 В до 40 В)
Вихідна напруга: від 1,2 В до 36 В постійного струму
Вихідний струм: 20А (макс.), 15А (рекомендовано)
ККД: 95% (24В до 12В, 20А)
Пульсації на виході: ≤ 50 мВ
Спосіб підключення: клемник
Захист від короткого замикання: автоматичне відновлення (не допускається тривале замикання)
Розмір: 60x53x27 мм/2,36x2,08x1,06"

Зовні виглядає відносно охайно: нічого не хитається й не звисає, радіатори прикручені невеликими гвинтами, а не висять на виводах компонентів. Є чотири монтажні отвори.



1. З боку входу є гвинтовий клемник, вимикач і світлодіодний індикатор увімкнення. Вимикач комутує сигнал керування ШІМ-контролером, клемник так собі, якийсь «хисткий».
2. З боку виходу такий самий клемник, поруч два підлаштувальні резистори для встановлення вихідної напруги й обмеження струму.
3. Вхідні конденсатори: 2 шт. по 470мкФ 50 вольт.
4. Вихідні конденсатори: 3 шт. по 270мкФ 35 вольт, із маркуванням «під фірму», хоча цілком може бути й оригінал — важко сказати напевно.
5, 6. Перетворювач із синхронним випрямленням, тож на радіаторах установлені два польові транзистори, а не транзистор і діодна збірка. Транзистори однакові — NCE8290, N-канальні, 82В 90А 8.5мОм, що, в принципі, навіть непогано.


Компонування не надто щільне, але все ж не дуже вдале: конденсатори стоять впритул до силового дроселя, який під час роботи зазвичай досить сильно нагрівається.


ШІМ-контролер, операційний підсилювач, шунт та інші дрібні компоненти розташовані знизу плати.


Праворуч угорі видно ШІМ-контролер — LM25116, нижче — шунт 4мОм і ОП для підсилення сигналу з нього — LM321



Серед ключових особливостей ШІМ-контролера — синхронне випрямлення, вбудований драйвер зі струмом до 3.5А, живлення до 42 вольт, налаштовуване обмеження струму й вихідна напруга в діапазоні 1.21-36 вольт.
Якщо коротко, дуже цікавий контролер.


У даташиті є схема типового ввімкнення, але тут, власне, нічого незвичайного: видно і контролер, і силові транзистори, а також шунт для вимірювання струму. Зазначу, що в даташиті є два приклади ввімкнення, і в обох контролер та силова частина живляться від різних джерел. У розглянутого перетворювача джерело одне, що також допускається, але діапазон вхідної напруги при цьому обмежений максимальним значенням для контролера, тобто 42 вольтами.


Насправді з вихідною напругою все трохи гірше.
1, 2. Мінімальне значення загалом відповідає заявленому, хоча без навантаження напруга коливається в діапазоні приблизно 1.24-1.45 вольта.
3. А от максимум, якого мені вдалося досягти, — лише 30 вольт.
4. При цьому на вході було встановлено максимальні 40 вольт, заявлені в описі, тож це не обмеження через вхідну напругу, а некоректно розрахований дільник зворотного зв’язку.


Споживання у вимкненому стані практично нульове. Увімкнений перетворювач без навантаження споживає близько 20мА в діапазоні 12-24 вольта, але за вхідної напруги 36 вольт струм помітно зростає і становить уже 60мА. Вимірювання в цьому випадку приблизне, але не думаю, що це критично.


Обмеження струму працює, але мінімум можна встановити лише приблизно на 700мА. Максимум, який я зміг перевірити, — 12.2А; вище піднімати не став, запобіжники для мультиметра дорогі. За деяких значень струму перетворювач тихенько пищав.


Далі перевіряв точність підтримання напруги за струму навантаження від 5 до 20А. Для початку виставив на виході 5 вольт.


А потім виміряв вихідну напругу за струмів 5, 10, 15 і 20 А. Мультиметр був підключений до провідників друкованої плати під клемником.
У діапазоні струмів 0–20 А просідання напруги становило 0,12 вольта. Не скажу, що це погано, але за низької вихідної напруги це вже помітно.


Така сама перевірка, але за вихідної напруги 12 вольт; вхідна становила 24 вольти.
Спочатку без навантаження


Потім за струмів 5, 10, 15 і 20 А.
Маємо ту саму різницю в 0,12 вольта. Припускаю, що проблема в коректності трасування друкованої плати.


Поки ганяв перетворювач у різних режимах і фотографував для огляду, помітив, що він почав нагріватися. Здивувався, що температура досить висока, хоча не сказав би, що попередні тести тривали довго.


Крім того, звернув увагу на помітну залежність ККД від вхідної напруги, а точніше — від різниці між вхідною та вихідною напругою.
Для прикладу: на вході 12 вольт, на виході 5 вольт і струм 20 А, при цьому перетворювач споживає 114,5 Вт.


За вхідної напруги 24 вольти споживана потужність уже становить 117,3 Вт, а якщо підняти вхідну напругу до 36 вольт — ще більше, 121,6 Вт.
Тобто за вихідних 5 вольт і 20 А та зміни вхідної напруги в діапазоні 12–36 вольт маємо від 114,5 до 121,6 Вт.
У моєму випадку вхідна напруга буде 10–14 вольт, тож усе гаразд, але для когось це може бути критично.


ККД вимірювався в кількох режимах. Нижче — три графіки для вихідної напруги 5 вольт і вхідної 12, 24 та 36 вольт; по горизонталі — струм навантаження від 2,5 до 20 А з кроком 2,5 А.

Результати досить приблизні, оскільки вхідну потужність оцінював за показами блока живлення, а отже, на результат впливало падіння напруги на проводах від нього до перетворювача. Думаю, реальний ККД приблизно на 1% вищий.


Тут також три графіки, але для інших режимів: пара з вихідною напругою 12 вольт і вхідною 24 та 36 вольт, а також варіант із вихідною напругою 24 вольти й вхідною 36 вольт (верхній графік).
Зазначу, що в тесті 36–24 вольти струм навантаження становив 15 А, а отже, вихідна потужність була майже 360 Вт за максимальної заявленої потужності 300 Вт.


Як я писав раніше, перетворювач відчутно нагрівається. Для перевірки я провів тест за вихідної напруги 5 вольт, вхідної 12 вольт і струмів навантаження 10 та 15 А. Зазначу, що це один із найоптимальніших режимів, в інших нагрівання може бути ще сильнішим.
1. На початку тесту перетворювач уже був трохи прогрітий.
2. Через 20 хвилин за струму 10 А нагрівання в межах норми.
3. Ще через 20 хвилин за струму 15 А нагрівання стало помітнішим, найвищу температуру мав вхідний транзистор — 106 градусів.

За результатами тесту рекомендую або обмежити вихідний струм, або подумати про активне охолодження.


Пульсації.
Загалом усе дуже непогано, я якось очікував гіршого.
Вихідна напруга 5 вольт, вхідна — 12.
1. Без навантаження
2, 3, 4. За струмів 5, 10 і 20 А


Насправді в спектрі пульсацій були «голки», але оскільки тест проводився з насадкою на вимірювальний щуп (1 мкФ + 0,1 мкФ), їх не видно.
Нижче осцилограма з прямим підключенням щупа за струму 20 А та співвідношення вхідної й вихідної напруг 12–5.


Ті самі струми навантаження — 5, 10 і 20 А, але співвідношення вхідної та вихідної напруг інше: ліворуч 30–5 вольт, праворуч 24–12 вольт.


Якщо придивитися до наведених вище осцилограм, думаю, можна помітити, що «горизонт завалений», тобто кожен наступний імпульс вищий або нижчий за попередній.
Мене зацікавив цей момент, і я збільшив час розгортки, у результаті отримавши ось таку не дуже приємну картину. Видно, що загальний розмах пульсацій — близько 80 мВ. Таке проявляється за вихідної напруги 12 вольт і вище, а також за струмів близько 15 А і більше. Нижню осцилограму зроблено за вихідної напруги 12 вольт, вхідної 24 вольти та струму 15 А.


На завершення огляду — порівняльне фото інших перетворювачів у такому самому формфакторі: посередині підвищувальний, праворуч знижувальний, але на 10 А. Думаю також написати невеликі огляди, якщо комусь цікаво.



Підсумовуючи, скажу, що загалом перетворювач працює, але зауважень досить багато.
1. Нагрівання: тривалий час з нього не зняти понад 15 А без додаткового охолодження, але про це зазначено в описі. Та навіть 15 А — це вже робота поблизу граничних значень, особливо за великої різниці між вхідною та вихідною напругою.
2. Регулювання струму лише від 0.7А
3. Вихідна напруга до 30 вольт замість заявлених 36.
4. Вхідні конденсатори низької якості.
5. Клемники слабенькі, особливо з огляду на заявлені 20А.

Якщо коротко, виробник узяв загалом непогану елементну базу, але в результаті отримав посередній перетворювач. Думаю, частина проблем криється в помилках трасування. Користуватися ним цілком можна, певною мірою він мені навіть сподобався, але про охолодження варто подбати.

На цьому поки все, сподіваюся, було корисно.