Підвищувальний перетворювач напруги потужністю до 400 Вт

Так уже виходить, що я дуже рідко пишу огляди підвищувальних перетворювачів напруги, а щоб ще й відносно потужного — здається, узагалі вперше. Але оскільки мене часто запитують про такі перетворювачі, я купив цей спеціально для огляду.


У заголовку вказано ціну та вартість доставки. Зрештою доставка обійшлася мені трохи дешевше, оскільки я купував для оглядів не лише цей перетворювач, а й знижувальний, а також різні дрібні товари.

Перетворювач компактний, як і попередні, його запакували в антистатичний пакет.

Технічні характеристики зі сторінки товару в оригінальному перекладі
Вхідна напруга: DC8.5V-50V
Вхідний струм: 15 А (макс.); якщо перевищує 8 А, будь ласка, посильте охолодження
Струм спокою: 10 мА (12 В, підвищення до 20 В; що вища вихідна напруга, то менший струм спокою)
Вихідна напруга: 10–60 В, плавне регулювання
Діапазон струму: 0,2–12 А
Температура: від -40 до +85 градусів (якщо температура довкілля надто висока, будь ласка, посильте охолодження)
Робоча частота: 150 кГц
ККД: до 96%
Захист від перевантаження за струмом: так
Захист від переполюсування на вході: немає
Монтаж: різьбові отвори, 4 × 2,55 мм
Розмір модуля: 67 мм × 48 мм × 28 мм (Д×Ш×В)
Вага модуля: 60 г

Судячи з усього, під «струмом спокою» мається на увазі споживання без навантаження, а під «тепловиділенням» — охолодження. Решта й так зрозуміла: вхідна напруга 8.5–50 вольт, вихідна — 10–60 вольт, вхідний струм — до 15 А, вихідний — до 12 А.
Згадується захист за струмом, але про нього розповім окремо, бо тут є нюанси.



1, 2. На вході й виході встановлено звичайні дешеві клемники, які за струму до 12–15 А виглядають якось ненадійно. Краще взагалі під'єднати дроти безпосередньо.
3. Як захист від короткого замикання в навантаженні або перетворювачі встановили запобіжник на 15 ампер. Його просто припаяно до плати.
4. Конденсатори і на вході, і на виході — 220 мкФ, 63 В, по парі з кожного боку.


1. Для регулювання встановлено два підлаштувальні резистори: ліворуч регулювання напруги, праворуч — струму. Зазначу, що якщо регулювання струму реалізовано правильно, то регулювання напруги зроблено навпаки: обертання вправо зменшує напругу, а не збільшує.
2. Застосовано один із найпоширеніших ШІМ-контролерів — TL494, можна сказати, класика.
3. Силовий транзистор 160N75F03, 75 вольт, 4 мОм, 120 А.
4. Діодна збірка MBR20100CT. Обидва силові компоненти встановлено на окремих радіаторах через ізолятори.


Знизу порожньо, зовсім порожньо. До речі, видно, що обидва регулятори встановлено в нижньому плечі подільника, але з невеликою відмінністю: подільник зворотного зв'язку за напругою під'єднано до кола вихідної напруги, а подільник зворотного зв'язку за струмом — до кола задання опорної напруги для другого підсилювача похибки. Тобто сигнал із шунта надходить безпосередньо на вхід ШІМ-контролера.
Можливо, саме тому й виникла плутанина з напрямком обертання: у разі зворотного зв'язку за напругою збільшення номіналу резистора підвищує чутливість зворотного зв'язку, а у разі струму — зменшує.


А тепер перейдемо до тестів і різних дивностей у роботі.
1. Перетворювач запускається, як і заявлено, за вхідної напруги 8.5 вольта.
2. Але якщо подати 8.4 вольта або менше, маємо першу дивність: без навантаження різко зростає споживаний струм, а вихідна напруга стає не 20 вольт, як було встановлено, а 85... Трохи підвищуємо напругу — легке клацання, і знову маємо 20.
3. Мінімальну напругу можна встановити 11.77 вольта.
4. Якщо підняти напругу вище за встановлену, то на виході вона також почне зростати незалежно від налаштування. Це особливість підвищувальних перетворювачів, принаймні з діодом на виході. Саме через цю особливість він не зможе обмежувати струм у разі короткого замикання на виході.
5, 6. Максимальну вихідну напругу вдалося отримати 67 вольт. Напруга стабільна і за 12, і за 24 вольтів. Слід пам'ятати, що конденсатори розраховані на 63 вольти.


Також у мене виникло закономірне запитання щодо живлення ШІМ-контролера та вхідної напруги. Наскільки я пам’ятаю, у TL494 максимальна напруга живлення — 40 вольт, а заявлена вхідна напруга — до 50, але під радіатором знайшовся компонент, схожий на стабілізатор напруги.


Так і є: ШІМ-контролер живиться напругою 17.5 вольта. Думаю, цю напругу вибрали, щоб забезпечити 15-16 вольт на затворі силового транзистора. До речі, на платі видно його драйвер на двох транзисторах.
Подав 50 вольт — нічого не згоріло :)


Через особливість цієї топології для перевірки регулювання струму використав навантаження у вигляді світлодіодної матриці.
Струм регулюється досить плавно, можна сказати, що від нуля. Принаймні можна встановити близько 30мА, але якщо спробувати встановити ще менше, струм буде нульовим.
Матриця була заявлена як 100Вт при 33-35 вольтах, тому я обмежився порогом у 3 ампери, водночас можна встановити й будь-яке проміжне значення. Нагадаю, що такий спосіб регулювання яскравості світлодіодів не зовсім коректний, оскільки може змінюватися колірна температура.


Щоб перевірити залежність струму від вхідної напруги, встановив обмеження 1.5А і вхідну напругу 20 вольт, потім знизив напругу до 10 вольт — струм трохи впав. Потім підняв до 30 вольт, і струм знову був трохи нижчим за встановлений. Але цікаво, що коли я знову виставив на вході 20 вольт, струм повернувся до попередньо встановленого значення. Думаю, просто трохи змінюється опорна напруга, але, як на мене, це не критично.


Робота перетворювача в різних режимах.
1, 2. На вході 10 вольт, на виході 40. Без проблем отримав спочатку 2, а потім 2.5 ампера вихідного струму, при цьому вхідний струм був близько 11А.
3, 4. Але виявилася неприємна особливість: коли я спробував підняти струм навантаження до 2.7 ампера, джерело очікувано перейшло в режим обмеження струму, але перетворювач продовжив працювати. На вході було 6 вольт, на виході, відповідно, близько 5.2-5.4, але вхідний струм становив 12А, а вихідний — 2.7А. Судячи з усього, транзистор перейшов у лінійний режим роботи й розсіював на собі чималу потужність. За дуже короткий час вхідна напруга впала ще нижче.
Помітив цю проблему вже тоді, коли відбирав фото, бо зазвичай просто фотографую процес тестування й не завжди помічаю, що відбувається.


Під час попереднього тесту перетворювач добряче нагрівся. Дав йому трохи охолонути й продовжив експерименти.
1. На вході 12 вольт, на виході 19 вольт, струм 6А
2. На вході 12 вольт, на виході 24 вольта, струм 5А
3. На вході 24 вольта, на виході 36 вольт, струм 7А
4. На вході 30 вольт, на виході 48, струм 6.5А

Під час тестів перетворювач працював нормально, причому відчувалося, що запас ще є. Також звернув увагу, що зазвичай діодна збірка нагрівається сильніше, ніж транзистор.


Далі за планом мав бути тест вимірювання ККД. Я вимкнув навантаження й пішов по аркуш і ручку для записів. Коли повернувся, краєм ока помітив дивне блимання показів блока живлення (він залишився ввімкненим). Струм стрибав від нуля до 12А, напруга також змінювалася.
Вимкнув, спробував запустити знову, але БЖ щоразу переходив у режим СС, при цьому вихідна напруга майже не змінювалася й становила близько 3-4 вольт.
Придивився до перетворювача й побачив, що розплавився пластмасовий ізолятор кріпильного гвинта. Тобто, припускаю, усе було так: я експериментував із різними навантаженнями, потім вимкнув навантаження, але зробив це саме тоді, коли перетворювач перейшов у лінійний режим, і не помітив цього. Відійшов буквально на хвилину, а коли повернувся, транзистор зазнав теплового пробою, і блок живлення, відповідно, обмежував струм. При цьому транзистор не перейшов у жорстке КЗ, а мав певний опір і навіть намагався працювати, але, на жаль, йому вже кінець.


Мені хотілося продовжити експерименти, тому спочатку спробував поставити новенький IRF3205. Перетворювач без проблем запрацював, але максимальна напруга для IRF3205 — 55 вольт, проти 75 у рідного транзистора. Зрештою згадав, що в мене є 110N8F6, які залишилися від електронного навантаження. Вони розраховані на напругу до 80 вольт, щоправда, їхній опір у півтора раза більший.
Загалом тут була ще одна дилема: у IRF3205 більший опір, але помітно менша ємність затвора, а в 110N8F6 навпаки — опір трохи нижчий, але ємність затвора більша (9.1нФ). В ідеалі варто було б поставити рідні транзистори: їхні параметри мені навіть сподобалися і за опором (4мОм), і за ємністю (6.7нФ), але таких у мене немає :(
Крім того, додав теплопровідну пасту — спочатку її не було. Можна було залишити як є, але гумові прокладки мають структуру вафельного рушника, тобто квадратики з заглибленнями, тому вирішив, що паста не завадить. Крім транзистора, наніс пасту й під діодну збірку.

Передбачаю запитання: а чи не краще ізолювати радіатор від плати, а не транзистор від радіатора. З погляду відведення тепла — так, краще, але водночас ви отримаєте антену, що випромінюватиме в ефір на частоті перетворення, щонайменше від радіатора транзистора.


ККД вимірювався в різних режимах. Для початку: вхідна напруга 12 вольт, вихідна — 19 і 24 вольти, максимальна вихідна потужність становила 131 Вт.
Тут і в наступному тесті шкала по горизонталі кратна струму 0.5 А.


Тут одразу три тести: вхідна напруга 24 і вихідна 36 вольт, а також вхідна 30/36 вольт і вихідна 48 вольт.
Видно, що в такому режимі перетворювач досяг заявлених 96%, максимальна потужність навантаження в тесті становила 333 Вт (48 вольт, 8 ампер).


Помітив, що вихідна напруга залежить від струму навантаження. Для прикладу — тест із вихідною напругою 48 вольт і струмом 0.5–8 А.


Під час тесту на нагрівання плата просто лежала на столі без активного охолодження.


Тест проводився у двох режимах: спочатку за вхідної напруги 12 і вихідної 24 вольти, струм навантаження — 2, 3.7 і 4.5 А; перші два тести тривали по 20 хвилин, третій — 10 хвилин.
Перетворювач поводився дуже непогано, власне, тому я й провів третій тест зі струмом 4.5 А.
Найбільше нагрівався вихідний діод — до 85 градусів, транзистор і дросель були приблизно на 7–10 градусів холоднішими.


Другий тест проводився за вхідної напруги 30 і вихідної 48 вольт: два прогони по 20 хвилин зі струмами 3 і 4.5 А.
Тут температура вже істотно вища, а оскільки різниця між входом і виходом також більша, нагрівання транзистора посилилося, і його температура перевищила поріг у 100 градусів.


Для наочності побудував три графіки втрат на перетворювачі в трьох режимах — 12–19 В, 24–36 В і 30–48 В; шкала внизу кратна струму навантаження 0.5 А.
Відповідно, на підставі цього графіка й попередніх вимірювань можна оцінити максимальні режими та температури.


Розмах пульсацій на виході вимірювався так само, як і в попередніх перетворювачах: паралельно до щупа підключалися конденсатори 1 і 0.1 мкФ.
Загалом я очікував, що розмах пульсацій буде великим — це характерна риса StepUp-перетворювачів, але якось не думав, що все буде настільки погано.
Для початку: вхідна напруга 12 вольт, вихідна — 24, струм навантаження — 0, 1.7, 3.4 і 5.1 А. При цьому пульсації під навантаженням становили від 0.4 до 1 вольта!


Далі — скорочений тест в інших режимах
1, 2. Вхідна напруга 12 вольт, вихідна — 19, струми 3.5 і 7 А
3, 4. Вхідна напруга 24, вихідна — 36 вольт, струми 3.5 і 7 А
5, 6. Вхідна напруга 30, вихідна — 48 вольт, струми 3.5 і 7 А.

Фактично за вказаних напруг і струмів навантаження вихідна потужність становила приблизно 40–50 і 80–100%.
В останньому режимі розмах становив 1.2 вольта. Так, звісно, можна сказати, що основний розмах не такий уже й великий, а повний складається з коротких імпульсів, але вони досить широкі. Винні в усьому і сама топологія перетворювача, і поганенькі конденсатори, і неоптимальне трасування плати.


Наостанок — порівняльне фото чотирьох перетворювачів: трьох знижувальних і одного підвищувального
1. 10 (8) ампер
2. 20 (15) ампер
3. 12 (10) ампер
4. той, що розглядаємо



Тепер висновки, і боюся, вони будуть невтішними.
Ні, перетворювач працює і по-своєму навіть непогано, але є купа недоробок, які можуть ускладнити йому життя, тож під час експлуатації їх треба враховувати.
1. За вхідної напруги нижче 8.4 вольта працює нестабільно, видаючи на виході підвищену напругу
2. Якщо вхідна напруга під навантаженням знижується, може перейти в лінійний режим роботи; рятує лише вимкнення з боку входу. Це проявляється з блоком живлення, що має режим обмеження струму; з акумуляторами навряд чи таке станеться, але треба стежити, щоб вхідна напруга не падала нижче 9–10 вольт.
3. Нагрівання можна назвати помірним, але воно залежить від режиму роботи
4. Пульсації: для нормальної роботи треба замінити вихідні конденсатори на конденсатори, а не на їхні масогабаритні макети; також добре було б установити LC-фільтр на виході.
5. Захист від КЗ — лише запобіжник. Пам’ятайте, що вихідна напруга не може бути нижчою за вхідну більш ніж на 0.5–0.6 вольта.

Що треба одразу доробити:
1. Замінити вихідні конденсатори
2. Нанести теплопровідну пасту й перевірити притискання транзистора та діодної збірки
3. Для підвищення ККД можна встановити ефективнішу діодну збірку.
4. Бажано замінити або взагалі прибрати рідні клемники.

Якщо коротко, працюватиме, можливо, навіть непогано, але якщо під час роботи під навантаженням напруга сильно просяде й БЖ перейде в режим CC, буде біда. Від акумуляторів має працювати непогано, але пульсації на виході все ж краще відфільтрувати.

Як варіант, можна використовувати для заряджання акумуляторів, наприклад заряджати батарею на 18–20 вольт від автомобільного акумулятора на 12 вольт.
Підключаємо без навантаження, виставляємо потрібну напругу, потім викручуємо регулятор струму вліво (доки підлаштувальний резистор не почне клацати або просто приблизно на 20 обертів), підключаємо розряджену батарею (навантаження) через амперметр і виставляємо струм заряджання.

На цьому все, сподіваюся, було корисно.