Регульований SEPIC-перетворювач напруги XYS3580

Ось я дістався й до перетворювача XYS3580, про який неодноразово писали. А чому б і не написати: універсальний вхід, потужність до 80Вт. Щоправда, як з’ясувалося, є в нього чимало "нюансів", про які я сьогодні й хочу розповісти.
Огляд, тести, осцилограми та скромна спроба застосування.


Взагалі цей перетворювач я замовляв виключно для огляду, бо про нього мене просили вже кілька постійних читачів. Заодно просто так вирішив зробити якщо не найменший, то принаймні близький до цього регульований блок живлення. Але, на жаль, усе виявилося дещо гірше, ніж я планував спочатку. Крім того, через це огляд буде радше не в логічному, а в хронологічному порядку, тож можливі деякі "перескоки" з однієї теми на іншу. Але перейдемо до справи.

Реклама обіцяла симпатичний дизайн, цифрове керування, потужність до 80Вт, щоправда з обмеженнями.


У розширеному описі наведено як зображення кількох екранів, так і докладніші характеристики.
З основного —
Вхідна напруга: 6-36В
Вихідна напруга: 0.6-36В
Вихідний струм: 0-5А
Вихідна потужність: 80Вт
Максимальний вхідний струм: 7А
Крок установлення напруги: 0.01В
Крок установлення струму: 0.001А
Точність установлення напруги: +/-0.3% +1 знак
Точність установлення струму: +/-0.4% +3 знаки




Паковання вкрай лаконічне: непоказна коробка, усередині щось загорнуте в пухирчасту плівку.


Крім власне перетворювача, більше нічого немає, навіть інструкції.


Формфактор корпусу, мабуть, уже став стандартом: у такому самому корпусі зараз випускають чимало різних пристроїв — генератори, перетворювачі, навіть електронне навантаження. На мій погляд, формат дуже зручний, якби не маленький екран.


Для спрощення монтажу є креслення з розмірами


На передній панелі розташовані екран розміром 27х27мм (1.44 дюйма), натискний енкодер і кнопка ввімкнення. Загалом це той мінімум, який потрібен для керування; менше — хіба що прибрати окрему кнопку, як я писав у попередньому огляді.


Ззаду — друкована плата й клемник для підключення входу та виходу. Клемник дешевий, вважаю, що можна було поставити й якісніший. Під час підключення враховуйте, що мінус входу й виходу — не одне й те саме, з’єднувати їх між собою не можна.



За охолодження відповідають невеликий радіатор і вентилятор 30х30х10мм. Керування вентилятором залежить від навантаження та вихідного струму, що, звісно, тішить, але регулювання обертів немає.


Оскільки перетворювач побудований за топологією SEPIC, на платі, відповідно, є два однакові дроселі (так, я знаю, що SEPIC буває і з одним дроселем), а між ними розташований розділовий конденсатор.
З іншого боку від радіатора — пара операційних підсилювачів, які відповідають і за вимірювання струму/напруги, і за їх установлення. Тут же розташовані вихідні конденсатори: 470мкФ і 220мкФ 50В.


А от конструкція одразу не сподобалася. Річ у тім, що плати зібрані "бутербродом", і це саме по собі нормально, але верхня плата тримається лише на роз’ємах, які з’єднують її з нижньою. Це не дуже добре, бо плата виймається зовсім легко.
Рекомендую перед використанням чимось зафіксувати плату.


Умовно плати можна поділити на силову та керувальну. На силовій розташовані дроселі, конденсатори, транзистори тощо, а на платі керування — відповідно, мікроконтролер, дисплей, енкодер.
Силова плата має двосторонній монтаж, причому знизу також чимало компонентів. По центру видно транзистор захисту від переполюсування, що, як на мене, може бути дуже корисним, але за стаціонарного використання його краще закоротити.


За живлення "мізків" відповідає XL1509, а праворуч, наскільки я зрозумів, розташований транзистор керування вентилятором.
Знизу також розташований дросель для зниження рівня пульсацій. Річ у тім, що SEPIC має досить високий рівень пульсацій, і таке рішення — невеликий плюс виробникові. Щоправда, дросель могли поставити й більший.


Мікроконтролер, окремий стабілізатор живлення — нічого цікавого.


Конструкція в повністю розібраному вигляді. До речі, на відміну від силової плати, плату керування витягти важко.


Спереду кілька стійок, дисплей, енкодер і кнопка. Кнопка нормальна, натискається не надто туго.
Пам’ятаючи про проблеми плат DPS, перевірив, чи ручка енкодера має ізоляцію: раніше її відсутність призводила до проблем через статичну електрику.


Вентилятор на 5 вольт. Думаю, за потреби знайти заміну буде нескладно, як і підібрати потужніший.


А ось це несподівано: мало того, що радіатор просто притиснутий до пластикових корпусів компонентів, так тут ще й немає термопасти. Як то кажуть — косяк у квадраті!


Встановлено вже знайомий ШІМ-контролер FP5139, він був у моєму огляді плати SEPIC. Якщо коротко, цей чип працює на частоті до 500кГц, що певною мірою допомагає зменшити розміри дроселів, але водночас заважає керувати силовими транзисторами.
До речі, транзистор B75NF75 — 75В, 80А, 9.5мОм. Оскільки частота висока, вихід ШІМ-контролера підсилено за допомогою емітерного повторювача.
Лівіше розташована діодна збірка B10100G, параметри зрозумілі з маркування — 10А 100В. Між транзистором і діодною збіркою — невеликий терморезистор.


Паяння елементів акуратне, а силових — навіть надто акуратне, таке враження, що припою пошкодували.


Перед складанням не втримався й усе-таки наніс термопасту на транзистор і діодну збірку, заодно простеживши, щоб радіатор не перекосило під час встановлення.


Після ввімкнення відображається проста анімація, а потім перетворювач переходить у штатний режим роботи. Екрана «за замовчуванням» у нього немає: запам’ятовується той, що був перед вимкненням. Те саме стосується й налаштувань.


Споживання плати.
Тут якось не все так однозначно: якщо за неактивного виходу споживання невелике, близько 30мА, і не залежить від напруги живлення (що дивно, з огляду на наявність DC-DC), то за активного виходу й установлених 30В споживання зростає до 100мА (1.2Вт) за напруги на вході 12 вольт і до зовсім безглуздих 55-60мА (майже 2Вт) за вхідних 35В.

Загалом паралельно виходу стоїть резистор 2.2к, і за 30В він розсіює 0.4Вт. Але навіть так — чому таке велике споживання, адже всі ці 2Вт зрештою перетворюються на тепло.

Та мало того, під час різних перехідних процесів плата іноді споживала 3, а то й усі 11 Вт!
Нижче два фото, на яких видно покази блока живлення і те, що до виходу перетворювача нічого не під’єднано.


Керування та відображення інформації.

1. Як я писав, під час увімкнення з’являється невелика анімація
2. Основний екран: поточні напруга/струм/потужність, праворуч — режим роботи й температура плати, унизу — задані напруга та струм.
3. Допоміжний екран: тут показано накопичену ємність в А·год і Вт·год, а також час роботи від останнього скидання показів.
Нижче — вхідна напруга плати та вихідні напруга/струм.
4. Відображення графіка струму й напруги. Начебто й цікаво, але на такому маленькому екрані не дуже функціонально.
5, 6. Налаштування.
M-PRE — автоматичний запуск налаштованої комірки пам’яті.
U-SET — установлення напруги за замовчуванням
I-SET — установлення струму за замовчуванням
S-LVP — мінімальний поріг вхідної напруги
S-OVP — максимальний поріг вихідної напруги
S-OCP — обмеження вихідного струму, максимум 5.2А; спрацьовує, лише якщо під час активації виходу є перевищення струму.
S-OPP — максимальна вихідна потужність
S-OTP — поріг спрацьовування захисту від перегрівання
S-OHP — обмеження часу роботи
S-OAH — обмеження ємності в А·год
S-OWH — обмеження ємності у Вт·год

У налаштуваннях є дивина: так, за замовчуванням перетворювач вмикається з установленими значеннями струму/напруги за замовчуванням, але в мене бувало, що він запам’ятовував останнє встановлене значення й завантажувався з ним. Ба більше, я побачив, що він завантажується зі значеннями, заданими в налаштуваннях, уже тоді, коли писав огляд.

7. Додаткові налаштування
Регулювання яскравості підсвічування
Час автоматичного вимкнення екрана
Корекція датчика температури
Налаштування кольорового оформлення

8, 9. За замовчуванням яскравість має рівень 3, регулювати можна від 1 до 5. Я відразу встановив 5, оскільки екран не дуже яскравий.


1, 2, 3. Налаштувати струм і напругу просто. Натискаємо на енкодер — підсвічується рядок налаштування напруги або струму (вибирається обертанням), наступне натискання вибирає крок регулювання: для напруги максимум 1 В, для струму — 0,1 А. Вихід автоматичний: наступним натисканням на енкодер вибереться те, що використовувалося раніше.
4. Графік відображається, але, як я вже писав, його функціональність під питанням. До речі, незрозуміло, чому фотоапарат на подібних екранах завжди відображає червоний колір блідішим за інші...
5. Справді порадувало те, що вихідну потужність можна встановити аж до 110 Вт!
6. А от те, що мінімальна вихідна напруга може бути лише від 0,6 В, здивувало: у подібних пристроях зазвичай усе-таки роблять від нуля.


Якщо довго утримувати кнопку ввімкнення, активується функція повороту зображення на екрані. Можливо, комусь це стане в пригоді.


Точність встановлення вихідної напруги.
В описі заявлено 0,3%, а насправді за максимальної напруги отримуємо 0,7 — забагато.


Для струму допускається трохи більша похибка — 0,4%. Насправді за максимального струму я отримав близько 0,5%, але, якщо врахувати допустиму похибку в 3 молодших розрядах, можна сказати, що результат у межах норми, хоча й зовсім на межі.


Ні, це ще не вимірювання ККД, а лише спостереження.
Поки перевіряв точність встановлення струму, звернув увагу, що за вихідної потужності 1,6 Вт від блока живлення споживається майже 15 Вт при вхідній напрузі 12 В. Підняв напругу до 24 В, але особливо нічого не змінилося, а точніше — стало навіть гірше.
Тобто перетворювач перетворював на тепло цілих 14 Вт!


Заодно помітив, що під час регулювання вхідної напруги десь у діапазоні 28–32 В, коли вихід навантажений, блок живлення іноді переходив в обмеження струму, тобто в режим CC, хоча, як було видно вище, потужність невелика, а струм мого блока живлення встановлено на рівні 5,1 А.

Загалом бавився, бавився і заодно помітив, що температура піднялася приблизно до 75 градусів. Під час одного такого регулювання екран перетворювача побілів, струм від блока живлення впав, і, схоже, плата вимкнулася.
Ну все, думаю, кінець кошеняті....



І справді: перевірка показала, що на виході маємо близько 4 Ом. Екран ожив за хвилин 20, а спроба ввімкнення переводила перетворювач у помилку OEP. Як я потім зрозумів, це помилка встановлення вихідних параметрів, тобто перетворювач не може видати нічого з того, що задано.


Якщо знати топологію SEPIC-перетворювачів, стає зрозуміло, що до такого могло призвести пошкодження вихідного діода. У разі виходу з ладу транзистора плата взагалі не змогла б запуститися, та й для короткого замикання в такому разі мав би пробитися ще й розділовий конденсатор.


Так і є: підняв обидва виводи збірки, і один діод виявився закороченим. Припаяв справну половинку й спробував запустити.


Плата запустилася на 10–20 секунд — якраз вистачило, щоб я встиг зробити фото, — і знову зупинилася з помилкою


Результат той самий — коротке замикання на виході. І що цікаво: у знайденому мною даташиті зазначено, що це не збірка з двох діодів, а одиночний діод. Але тоді після відпаювання одного з виводів він би не запрацював....
У будь-якому разі збірка вийшла з ладу.


Виколупав із плати якогось монітора збірку MBR10100 і припаяв її замість попередньої. Зрозуміло, що корпус відрізняється, тому довелося встановити її вертикально. Потім я встановив на неї радіатор із тієї ж плати монітора.
Вмикаю, перевіряю — усе чудово.


В описі траплялася інформація, що цей перетворювач можна використовувати для заряджання акумуляторів. Насправді це було зрозуміло й так, з огляду на топологію перетворювача. але треба враховувати, що паралельно виходу встановлено резистор 2.2кОм, і коли заряджання вимкнене, він розряджатиме акумулятор.



Тести під навантаженням.
В описі йшлося, що мінімальна вхідна напруга — 6 вольт, але насправді плата починає працювати від 5. Та коли намагаєшся встановити високу вихідну напругу, спочатку вона встановлюється на короткий час, а потім скидається.
За напруги 6 вольт працює вже більш-менш, але я б не розраховував отримати на виході велику потужність.


Але оскільки живити таку плату від 6 вольт не надто доцільно, я почав тести з 12 вольт — це найближче до реальних умов.
Спочатку встановив на виході 5 вольт. Плата вимкнулася за вихідної потужності майже 25Вт: спрацювало обмеження вихідного струму, оскільки він майже досяг 5.1А. Напруга впала на 50мВ порівняно з тим, що було без навантаження.


Встановив на виході 30В, і тут уже спрацював захист на вході плати, тому потужність становила максимум 60Вт. Вихідна напруга впала на 40мВ (ліворуч на графіку — напруга на початку тесту, праворуч — наприкінці).


Гаразд, розумію, що 12 вольт замало для нормальної роботи, підняв напругу до 19 вольт — як при живленні від ноутбучного блока живлення.

Перевіряти за вихідної напруги 5В немає сенсу: там я вперся у вихідний струм, тож встановив на виході 30В (максимальна вхідна напруга мого навантаження).
Тут уже спрацювало відсікання за вхідним струмом, але вихідна потужність сягнула 80 Вт.


Коли спрацьовує захист, виводяться різні повідомлення. У цьому випадку було ОРР — захист від перевищення потужності.
Згадав, що потужність можна збільшити, і встановив 100Вт.


Повторюю тест із тими самими параметрами. Тепер перетворювач вимкнувся через перевищення вхідного струму, вихідна потужність становила 92Вт. Загалом усе правильно: 19х5.1=99Вт, а ще ж є ККД.


Гаразд, підвищую вхідну напругу до 35В, повторюю тест і отримую очікувані 100Вт.


Але ж у налаштуваннях максимум був 110Вт, спробую встановити це значення.


На вході 36 вольт, на виході 22 — отримано потужність 110Вт.


Оскільки тест проходив в автоматичному режимі, фото зробив «на бігу», але все одно видно, що майже 110 Вт справді є.


А потім перетворювач знову викинув білий прапор екран...
Загалом за весь час він мене відверто дістав цим білим екраном, але я з’ясував, що:
1. Зображення відновлюється приблизно через 20 хвилин «відпочинку»
2. Найчастіше це траплялося, коли вбудований термометр показував приблизно 75 градусів.
3. Якщо вимкнути й увімкнути плату, білий екран нікуди не зникає, але функціонально все працює: можна не лише ввімкнути вихід, а й регулювати напругу/струм, щоправда, робити це доведеться наосліп
4. У цьому випадку після вимкнення/подання напруги й активації виходу плата подавала на вихід ту напругу, яка була перед вимкненням, а не ту, що встановлена «за замовчуванням». Причому можна було так вмикати й вимикати — усе одно запам’ятовувалося останнє значення перед вимкненням, навіть якщо змінити його при білому екрані (щоб пришвидшити тести, доводилося так робити).
5. Бувало, що білий екран з’являвся і за нижчої температури — просто раз, і все. Пробував охолодити, не допомагає: залишається тільки чекати, а потім перезавантажити живлення.



Поки тестував, перетворювач нагрівся, хоча я робив паузи. Звісно, можна сказати, мовляв, я ж зняв радіатор, але, друзі, будьмо об’єктивними:
1. Спочатку радіатор стояв без термопасти й нічого не охолоджував
2. Додавання термопасти нічим не допомогло, так само як не допомогло б навіть охолодження радіатора рідким азотом, адже відводити тепло від пластикового корпусу безглуздо
3. Діод винесли за межі плати, тож він не нагрівав її, а тепловий режим транзистора помітно полегшився.

У результаті транзистор під час коротких тестів легко нагрівався до 75-80 градусів, а за потужності 100-110 Вт — і до понад 120. Про тривалі тести годі було й говорити.


Як виявилося, я не один такий: є навіть «народний метод» розв’язання цієї проблеми. У коментарях на AliExpress людина показала варіант доопрацювання, за що їй велике спасибі, але, як завжди, є кілька «але»:
1. Підібрати відповідні пластинки складно: вони не мають бути надто тонкими, щоб проводити тепло, і надто товстими, щоб їх можна було зігнути.
2. Припаяти їх теж може бути непростим завданням, але це найменша проблема
3. Їх треба виставити в одну площину.
4. Найскладніша проблема — радіатор треба обов’язково ізолювати від пластинок, оскільки корпуси елементів електрично не з’єднані. Крім того, якщо з’єднати радіатор і фланець транзистора, отримаємо потужний генератор перешкод, адже частота роботи перетворювача становить чималі 500 кГц.


Мені стало цікаво, і я вирішив виміряти ККД у різних режимах роботи. А оскільки це перетворювач не лише з регульованим виходом, а й з універсальним входом, тестів вийшло дуже багато. Щоб заощадити місце, звів їх у кілька графіків залежно від вихідної напруги.

Вихідна напруга — 5 вольт, вхідна — 12, 19 і 35; одиниці на горизонтальній осі відповідають крокам по 5 Вт.

Як бачимо, перетворювачу важко працювати на зниження з великою різницею між вхідною та вихідною напругою. І це зрозуміло: сама топологія SEPIC хоч і універсальна, але за це доводиться платити зниженням ККД.


Вихідна напруга — 12 вольт, вхідна — 12, 19, 28 і 35. Картина аналогічна: за високої вхідної напруги ККД знову знижується, оптимум — за 19 вольт.
Одиниці вимірювання на горизонтальній осі тут і далі відповідають крокам по 10 Вт. Тут також видно, що графік для 12 В обривається раніше, оскільки в такому режимі потужність може становити лише до 60 Вт.


Вихідна напруга — 24 В, загалом усе те саме, що було сказано вище.


А цей тест я проводив радше для доповнення: вихідна напруга — 30 В, вхідна — 12 і 35.
Нічого незвичайного, хіба що графік 12–30 В обривається вже на рівні 20 Вт. Так, я не зрозумів чому, але перетворювач скидає вихідну напругу, якщо під’єднати 30 Вт, хоча за лінійного збільшення я отримував до 60 Вт...


Пульсації.
Про них нічого конкретно не зазначали, але я вже чекав чогось не дуже доброго — і не дарма. Річ у тім, що це знову недолік топології SEPIC: у таких перетворювачів рівень пульсацій зазвичай вищий, ніж у звичних «понижайок».

Розмах пульсацій майже не залежав від режиму роботи й був нижчим лише в одній протестованій комбінації — 35–30 В за потужності 80 Вт.


Під час вимірювання я звернув увагу на характерний нахил осцилограми, і передчуття мене не підвело: у деяких режимах роботи, особливо за високої вхідної та низької вихідної напруги, якщо встановити повільнішу розгортку, спостерігається ось така картина....


Паралельно з підготовкою огляду я намагався втілити ідею невеликого регульованого блока живлення, для чого знадобилося первинне джерело. За нього правила примітивна схема на базі класичної IR2153. На жаль, у продажу не знайшлося версії з індексом D, тож довелося поставити діод на драйвер верхнього плеча.

Схема найпростіша й не має захисту від КЗ. За задумом, цю роль виконує сама плата перетворювача, оскільки має захист від перевищення вхідного струму, але про всяк випадок на виході все-таки поставив запобіжник на 5 А.
Конденсатори С12 і С13 добре було б поставити ємністю 0.22 мкФ, але таких удома не знайшлося, а оперативно щось купити через карантин неможливо. Трансформатор від АТХ БЖ, не перемотував; решта компонентів здебільшого з уживаних плат РК-моніторів.


Приблизно такий БЖ працює в мене вже понад 5 років у моєму старенькому блоці з платою 6005, тільки там він потужніший і має два виходи, а також регулювання обертів вентилятора на базі DC-DC 34063.

Хоча, на мій погляд, у цьому випадку набагато простіше використати якийсь готовий відповідний БЖ на 24 вольти й потужністю 120–150 ватів, не морочачись із саморобками.


Потім за схемою накидав не менш просту друковану плату й виготовив її за допомогою ЛУТ і паперу, про які також розповідав в одному з моїх оглядів.


Мета була зробити максимально компактний блок живлення під конкретний корпус.


Корпус просто купив, підбираючи розмір «на око». Головне, щоб перетворювач нормально помістився.


Через невеликий вибір корпусів довелося винести вихідні клеми на задню панель, а далі — дремель, шурупокрут, надфіль і трохи роботи руками.


Компонування вийшло хоч і щільним, але все ж достатньо вільним для проходження повітря від бічних отворів до вентилятора, хоча, можливо, отворів варто зробити більше.


Пристрій майже готовий. На жаль, розташувати клеми на передній панелі неможливо, а наступний за розміром корпус був зовсім великий.
Загалом це середній варіант цього корпусу: одна половинка висока, друга низька. Удома є ще варіант із двома низькими, можна було взяти з двома високими, але його теж не було — хіба що купувати два середні й комбінувати.


Ще треба буде зробити решітку на вентилятор і замінити гвинтики на чорні.


Хоча перетворювач і потребує доопрацювання охолодження, і в мене вже є ідеї щодо цього, але вже зараз він цілком працездатний. Просто за великої потужності навантаження швидко перегріється й вимкнеться. Та й трансформатор, як слід, не завадило б перемотати.


А тепер спробую підсумувати все сказане вище.
На мій погляд, у цього перетворювача більше недоліків, ніж переваг. Він перегрівається, виробник забув покласти термопасту, та й охолодження загалом реалізував неправильно. Розмах пульсацій великий, ККД низький, періодично з'являється білий екран, та й узагалі під час роботи з ним складається враження, що він «гальмує»: напруга встановлюється з певною затримкою, інтерфейс реагує дещо повільно, іноді пристрій завантажується з параметрами за замовчуванням, а іноді — з тими, що були перед вимкненням.

Але насправді є й позитивні моменти. Особисто мені сподобався зручний діапазон вихідної напруги та струму. Можна було б, звісно, зробити регулювання і від нуля, але на практиці мені рідко коли потрібно менше ніж 0.6 вольта.
Також сподобалася програмна функціональність. Єдине, чого мені хотілося б, — можливості повністю припиняти заряджання, коли струм падає нижче 1/10 від установленого, тобто емулювати повноцінний зарядний пристрій.

Що ще можна доопрацювати, щоб зменшити нагрівання й підвищити ККД.
1. Замінити силовий транзистор. На мій погляд, сенсу в цьому небагато, хіба що через зручніше розташування на радіаторі, що я й планую зробити.
2. Вихідну діодну збірку замінити на розраховану на більший струм — менше нагрівання, вищий ККД.
3. Прибрати транзистор захисту від переполюсування — менше нагріватиметься плата під силовим транзистором перетворювача, а також підвищиться ККД
4. Перенести резистор, який стоїть паралельно виходу, кудись подалі, щоб зменшити нагрівання плати.
5. Замінити конденсатори, особливо розв’язувальний конденсатор, який стоїть між дроселями, на фірмові з меншим ESR. Це може допомогти як підвищити ККД, так і зменшити пульсації.
6. Замінити вихідний дросель на інший, розрахований на більший струм, — це також може трохи зменшити нагрівання.
7. Замінити дроселі перетворювача на такі, що розраховані на більший струм: менше нагрівання, вищий ККД.

Звісно, уважний читач запитає: чи має сенс такий перетворювач за такої великої кількості доопрацювань? На мій погляд, так, сама ідея непогана, але чи є в цьому економічний сенс — не впевнений.
Цей самий перетворювач продають на AliExpress за $13.90

Загалом сама ідея застосувати тут SEPIC від початку була неправильною. Особливо це помітно за падінням ККД за високої вхідної та низької вихідної напруги. Якби вже хотілося зробити справді красиво й правильно, я б на місці виробника застосував LTC3780. Це не SEPIC, але універсальний перетворювач із непоганим ККД, до того ж позбавлений недоліків SEPIC, наприклад щодо рівня пульсацій, — огляд.

На цьому в мене все. Блок живлення, найімовірніше, доопрацюю, коли закінчиться карантин або якщо знайду вдома потрібні мені деталі — ті самі конденсатори й відповідний транзистор. Також знадобиться другий вентилятор такого самого розміру, а його вдома точно немає :(