Пара підвищувальних перетворювачів і їхнє невелике вдосконалення до SEPIC

Зовсім недавно мені на очі потрапив огляд лінійних стабілізаторів напруги на 3.3 Вольта.
Я навіть узяв участь в обговоренні, і там якось зачепили тему живлення пристроїв із напругою живлення 3.3 В від літієвого акумулятора.
А оскільки ця тема перетиналася з одним із моїх майбутніх оглядів, я теж вирішив трохи поекспериментувати.

Насправді ця тема тягнеться вже дуже давно. За ТЗ мені треба живити пристрій із напругою живлення 3.3 Вольта і споживаним струмом близько 0.5-0.7 Ампера. Живити треба від літієвого акумулятора.
Спочатку хотів використати лінійний стабілізатор із надмалим падінням напруги, але потім отримав платку перетворювача SEPIC і вирішив копати в цьому напрямку.
Насамперед хотів замовити мікросхеми, використані в готовому перетворювачі, але думка пішла далі й привела до теми цього огляду та до того, що я зрештою зробив.

Так, стоп, щось я забіг далеко наперед, негаразд.

Замовив дві плати, точніше два лоти.
У першому лоті було 5 плат, ціна $1.94 за лот, або 0.39 за штуку.

Насправді подібні платки цілком можна купити (і часто навіть простіше) офлайн — принаймні не треба чекати на них місяць. Наприклад, такий самий перетворювач є в українському магазині myproject.com.ua - посилання. Єдине — через вартість доставки зручніше й дешевше робити збірне замовлення.


Платки — це підвищувальний DC-DC перетворювач, спочатку налаштований на 5 Вольт.
Продаються просто смужками; якщо треба, плату можна легко відламати, як шматочок шоколадки.
Такий спосіб розділення плат називається скрайбуванням: у потрібних місцях текстоліт прорізають майже наскрізь, а коли треба — відламують по цій лінії.


Плата, по суті, примітивна (якщо не зважати на те, що в мікросхемі купа елементів).
Коли вибирав, що замовити, міркував так: у крайньому разі використаю компоненти окремо, навіть ті самі гнізда — вони теж коштують грошей.
Паяння акуратне, плата чиста.


Але роз'єм явно паяли лівою задньою ногою — повна протилежність паянню з іншого боку, де, найімовірніше, працював автомат.


За платою було складено схему. До речі, я дещо зробив неправильно, перемалювавши схему після експериментів, але про це пізніше.


Оскільки плату явно задумано для живлення від акумулятора, щоб усунути вплив проводів, на вході я встановив конденсатор 330мкФ 6.3В.
Одразу скажу: усі плати запустилися без проблем.


Невеликий тест плати. Оскільки плати спочатку бралися для перероблення, то цей тест радше просто для загального уявлення.
Плата запускається за напруги трохи більшої за 1 Вольт, вихідна напруга трохи завищена.
Ліворуч на всіх фотографіях — блок живлення (лівий індикатор показує напругу, правий — струм), праворуч — навантаження, індикатори там підписані.


Максимальний вихідний струм, який мені вдалося отримати від плати за живлення 3.6 Вольта, становив 0.55 Ампера.
У разі перевантаження мікросхема просто переходила в захист, температура під час тестів не піднімалася вище 70 градусів.
Невелика довідка: для перетворювачів, побудованих за топологією Step-Up, найважчий режим — не КЗ, а перевантаження. У разі КЗ струм обмежений опором дроселя та падінням напруги на діоді, мікросхема під час КЗ вимкнена. А от якщо захист зроблено неправильно, то під час перевантаження мікросхема або загине від перегрівання, або через перевищення максимального струму силового ключа.
Скільки б я не експериментував, плата працювала коректно й у разі перевантаження переходила в захист, знижуючи вихідну напругу.


Перевірив я й те, що відбувалося на виході перетворювача.
На осцилограмі чітко видно, що штатний конденсатор не справляється з пульсаціями, а додавання на виході ємності 100мкФ зводить пульсації майже нанівець.
Дільник щупа осцилографа під час усіх тестів був у режимі 1:1.
Як на мене, перетворювач у початковому вигляді цілком непоганий.
Продавець заявляє 200мА за напруги живлення 1.5 Вольта та 500мА за напруги живлення 3 Вольта.
У реальності, якщо показник і буде меншим, то ненабагато.


Другий лот складався з однієї плати. Відгуки були дуже різні й не завжди хороші, але оскільки цю плату я теж брав для експериментів, мені було байдуже.
Ціна плати — 0.6 долара, посилання на товар.

Ці плати також є в українських магазинах, наприклад, тут, хоча, якщо пошукати в магазині (тим паче асортимент хороший), я б, мабуть, вибрав щось краще: відтоді, як я написав огляд, з'явилися зручніші варіанти.



Спочатку я шукав мікросхему підвищувального перетворювача з більш-менш нормальними параметрами. Але зрештою пошук привів мене до плат із цією мікросхемою, які коштували ненабагато дорожче, зате на них уже були і мікросхема, і дросель, і ще всяка дрібнота.
Тут уже немає роз'єму, оскільки плату від початку позиціонують як універсальний підвищувальний перетворювач.
На сторінці продавця вказані параметри —
Вхідна напруга: 2 В ~ 24 В
Максимальна вихідна напруга: 28 В
Максимальний вихідний струм: 2А
ККД: понад 93%.
Розміри 36 мм * 17 мм * 14 мм.


Знизу компонентів немає, назва плати збігається з назвою встановленої на ній мікросхеми — власне, так я на неї й натрапив.


Плата маленька, особливо якщо врахувати, що контактні майданчики займають чимало місця. Якщо їх відрізати, розмір стане помітно меншим.


Схема також найпростіша, побудована на мікросхемі MT3608, на яку навіть є даташит.
Причому параметри мікросхеми дуже непогані: власне, спочатку я знайшов даташит, потім мікросхему, а потім плату на її основі.


За платою також накреслили схему: вивід 4 — це вхід керування мікросхемою, для ввімкнення його треба з'єднати з входом живлення.


А от перше ввімкнення мене неабияк здивувало.
На перший погляд на фото нічого незвичайного: увімкнений блок живлення, до виходу підключене електронне навантаження, а на індикаторі відображається струм навантаження 0.18 А.
Усе було б гаразд, якби не одне АЛЕ: регулятор струму навантаження викручений на мінімум, а мінімальний струм у неї — 20 мА.
Явно щось не так.


А «не так» виявилося ось у чому: на виході плати великі пульсації високої частоти (виробник заявляє частоту 1.2 МГц).
Після підключення паралельно до виходу конденсатора ємністю 100 мкФ проблема нестабільної роботи електронного навантаження зникла.
Крім того, «допоміг» виробник, а точніше розробник, розмістивши вихідний конденсатор не біля вихідних клем, а біля мікросхеми.
Плата запускається від 1.8 В, добре підтримує встановлену вихідну напругу.


У відгуках про плату писали, що вихідна напруга не регулюється.
Мабуть, людина просто не розібралася, хоча тут винен і виробник.
Річ у тім, що регулювання відбувається на 8 обертах підлаштувального резистора з 30! Та ще й під час обертання ліворуч О_о
Тобто від звичного крайнього положення крутимо 22 оберти, під час яких нічого не відбувається, і лише на останніх 8 обертах напруга регулюватиметься. Жах.

Ця мікросхема також не перегрівалася під час роботи, щоправда, і 2 А вона мені не видала.
Водночас вимірювання температури показало, що за струму понад 1 А на платі починають нагріватися дросель і вихідний діод — це теж треба мати на увазі.
Але варто сказати, що 2 А на виході можна отримати лише за певних умов, і це максимум.

Коли вже писав огляд, то зрозумів, що подавав на вхідний електролітичний конденсатор (як і в першому випадку — 330 мкФ 6.3 В) аж 10 В, але конденсатор був якісний, тож поставився до цього байдуже.


А ось такі пульсації має плата без додаткового вихідного конденсатора. Не дивно, що навантаження «збожеволіло».




Так, час перейти власне до того, навіщо мені все це знадобилося (тобто плата).
У мене вже був огляд готової плати, повністю саморобного варіанта, тепер спробуємо зробити варіант із модернізацією готового перетворювача.

Міркував я приблизно так:
Потрібен широкий діапазон живлення, отже, потрібен SEPIC
Після цього я почав шукати спеціалізовані мікросхеми, а потім подумав: навіщо мені взагалі щось спеціалізоване, якщо суть перетворювача SEPIC — це модернізований Step-up перетворювач.
До речі, цей момент дуже важливий: переробити можна саме підвищувальний перетворювач, а Step-down переробити не можна з двох причин —
1. У перетворювачах Step-down силовий ключ стоїть у позитивному полюсі живлення
2. Силовий ключ у таких перетворювачах цілком може перебувати в повністю відкритому стані або закриватися на дуже короткий час, що для підвищувального перетворювача майже напевно означає смерть.

Знайшов відповідну мікросхему підвищувального перетворювача й почав шукати її на Ali, але зрештою знайшов плати з нею.
Після цього я поставив собі завдання отримати перетворювач SEPIC шляхом мінімального доопрацювання наявних плат підвищувальних перетворювачів.

Нижче показано обидва типи перетворювачів, і видно, що відрізняються вони лише тим, що в універсальному варіанті додано дросель і конденсатор, УСЕ!


Для початку я вирішив поекспериментувати з маленькими перетворювачами. Лот із 5 штук я замовив не дарма — справа була не лише в економії.
Річ у тім, що топологія універсального перетворювача передбачає наявність двох однакових дроселів, а оскільки таких удома в мене не було, я вирішив узяти дросель із такої самої плати (плат же взагалі п’ять).


Заодно я перерахував дільник зворотного зв’язку, спершу з’ясувавши напругу компаратора мікросхеми.
У простенькій програмі створив джерело 5.1 В (таку напругу плати мають на виході), задав номінали наявного дільника й отримав близько 1.22 Вольта.
Після цього змінив вихідну напругу й підібрав один із резисторів так, щоб на мікросхему надходили ті самі 1.22 Вольта.
Ця операція не стосується власне перетворювача SEPIC, просто мені було потрібно 3.3 Вольта, але з тих номіналів, що були вдома, я зміг підібрати лише для 3.2 Вольта.


А ось тут і вилізло те, що схему я перемалював уже після випробувань.
Я хотів використати мінімум додаткових компонентів.
Дросель узяв з однієї з плат, резистор — із запасів (хоча можна було взяти його й з іншої плати), конденсатор випаяв зі старої плати монітора.
А от конденсатор краще було взяти з однієї з плат перетворювача (звідки випаював дросель), адже там конденсатори мають навіть більшу ємність і все одно не потрібні.


Діод випаюємо, на його місце припаюємо конденсатор.
Біля мікросхеми зачищаємо контактний майданчик, до нього припаюємо один вивід дроселя, другий припаюємо до майданчика, де раніше був катод діода.
До цього ж майданчика тепер припаюємо анод діода, а катод — до правого виводу резистора 3.3к (через нього живиться світлодіод).
Також обов’язково треба перерізати доріжку, місце видно на фото.


Пробуємо.
Запускається від 1.28 Вольта


Хоча плата й працює, стабільність вихідної напруги залишає бажати кращого.
За малого струму навантаження та вхідної напруги 4.2 Вольта вихідна напруга піднімається до 3.6 Вольта. Не те щоб критично, але не дуже добре.
За струму понад 500мА спрацьовує захист і вихідна напруга падає.


Поганявши плату в різних режимах, я дійшов висновку, що максимальний вихідний струм у моєму діапазоні становитиме близько 300мА, але короткочасно можна отримати до 400мА.


Під час експериментів я також пробував збільшити ємність конденсатора між дроселями, але помітного результату це не дало :(


А от рівень пульсацій виявився дуже непоганим: ліворуч — у режимі підвищення, праворуч — зниження.


Награвшись із маленькими платками, я перейшов до більшого «піддослідного».
Суть доопрацювання тут абсолютно така сама, за винятком того, що плата була одна. Замовив я лише одну, бо потрібний дросель у мене вже був.
Також доопрацював вузол регулювання вихідної напруги: повністю прибрав його й замінив парою резисторів.


Тут я також виміряв опорну напругу компаратора — у мене вийшло 680мВ.
Для цього я виставив на виході 10 Вольт, а потім випаяв підлаштувальний резистор і виміряв його опір у режимі подільника; на лівій схемі він зображений двома верхніми резисторами.
Потім перерахував подільник під потрібну мені напругу (ну, майже: найближче значення в мене було 3.5 Вольта), а потім махнув на це рукою, зазирнув у даташит і дізнався, що насправді там не 680мВ, а 600 :)))
Зрештою, я використав нижній резистор на 2к, а верхній — на 9.1к.
Експерименти — вони такі експерименти :))))


Після всіх розрахунків узявся до переробки.
1. Випаюємо підлаштувальний резистор і постійний резистор на 2.2кОм (або, грубо кажучи, випаюємо всі резистори).
2. На місце постійного резистора впаюємо резистор на 2к, перерізаємо доріжку між дроселем і діодом.
3. Зі зворотного боку плати припаюємо другий резистор подільника (його потім можна змінити). Я довго думав, куди припаювати цей резистор, аж поки не згадав, що його можна припаяти знизу :))
4. Між дроселем і діодом впаюємо конденсатор. Тут та сама помилка: конденсатор можна було взяти з однієї з плат.
До дроселя припаюємо обрізок виводу якогось радіоелемента й спрямовуємо його до скошеного краю дроселя.
Зачищаємо й лудимо майданчик біля вихідних майданчиків.


Припаюємо дросель одним виводом до майданчика біля вихідних клем, а другим (дротяним) — до діода. Я недарма звернув увагу на скошений край дроселя: так він краще стає на місце.
Усе.


У найгіршому режимі, за напруги на вході 2.6 Вольта, плата переходила в захист за струму близько 700мА, в інших режимах працювала стабільно.
Загалом, за стабільністю плата на голову вища за попередню.


За вхідної напруги 10 Вольт я без проблем отримав вихідний струм понад 2 Ампери, але діод і дроселі вже добряче нагрівалися, тоді як температура мікросхеми не перевищувала 70 градусів.
На останньому фото видно, що за малої вхідної напруги й вихідного струму 700мА напруга на виході падає до 3 Вольт.


Вище я написав, що за вхідної напруги близько 2.9 Вольта (нижня робоча напруга літієвого акумулятора) отримав 770мА за напруги 3 Вольта.
Мені здалося, що причина в малій ємності конденсатора, встановленого між дроселями. Для експерименту я під'єднав паралельно до нього другий конденсатор такої самої ємності (на схемі вже вказано сумарну ємність).


Після заміни вихідний струм явно зріс, і напруга падала до 3 (точніше, 3.04) вже за струму 1.11 Ампера.
Тобто виходить, що з одним конденсатором максимальна вихідна потужність за напруги 2.9 Вольта становила 2.31 Ватта, а з двома конденсаторами — вже близько 3.3 Ватта.
Мені здається, це прогрес.
Загалом, такі конденсатори досить дорогі, тож я б радив поставити сюди штатний конденсатор на 28мкФ, знявши його з входу цієї плати. На його місце достатньо встановити керамічний на 0.22 (або пару таких) і електролітичний на 100-220мкФ.


Ще кілька тестів за різних вхідних напруг і вихідних струмів.


Тести показали, що під час роботи від одного літієвого акумулятора (діапазон 3-4.2 В) за вихідної напруги 3.3 Вольта плата може нормально видавати струм до 700мА.


А от пульсації в цієї плати явно більші — мабуть, це її єдиний недолік. Це пульсації з електролітичним конденсатором на 100мкФ на виході.
Вище я писав, що, найімовірніше, це зумовлено неправильним трасуванням. Керамічний конденсатор на виході може поліпшити ситуацію, але не думаю, що суттєво.
Загалом, SEPIC вважається най«шумнішим» типом перетворювача, тож це певною мірою його особливість.


Найбільші пульсації спостерігалися, звісно, за максимальних струмів навантаження. А точніше — за максимального вхідного струму.


Фото обох плат після перероблення. На великій платі дросель гармонійно став на місце підлаштувального резистора, а мала плата зовні виглядає грубішою.


А тепер порівняльне фото нових плат поруч із платою з цього огляду.
Видно, що попередня плата здається гігантською порівняно з новими.


До речі, я б не сказав, що велика плата з цього огляду набагато слабша. У попередньому огляді я тестував перетворювач за вхідної напруги 14 В, вихідної — 3.3 В і струму 2.5 А. Ця плата змогла видати ненабагато менше.
Але ціна!!!..
Якщо попередній перетворювач коштував 5.7 долара, то тут навіть за найгіршого сценарію (купівля двох дорогих плат) вийшло б 1.2 долара.
А якщо вдома є парний дросель, то можна взагалі вкластися приблизно в 0.8 долара (плата + пара електролітів).

Суть цього огляду від початку була не в точному вимірюванні характеристик, ККД тощо, хоча я зробив чимало різних вимірювань, а в тому, щоб отримати універсальний перетворювач, переробивши дешеві підвищувальні.
Мені здається, експеримент вдався, причому з другою платою я отримав результат, порівнянний із платою за 5.7 долара. Це більш ніж хороший результат.
А ще цей огляд може стати в пригоді, коли треба «тут і зараз», адже плату підвищувального перетворювача знайти набагато простіше, ніж універсального (їх узагалі менше в продажу, особливо офлайн).

Перша (маленька) платка, звісно, слабенька, і вихідна напруга в неї не така стабільна, як у великої, але для її перероблення можна взагалі нічого додатково не купувати, а зробити універсальний перетворювач із двох підвищувальних.
При цьому в нас залишаться запасна мікросхема, діод, світлодіод, роз'єм і кілька резисторів.
Друга (велика) плата виходить дещо дорожчою, і до неї потрібен або дросель, або ще одна така сама плата (це краще).

Кілька слів про плати в початковому вигляді.
Маленькі — цілком робочі плати, дешеві, не дуже потужні; якщо встановити хоча б невеликий електроліт на виході, пульсації будуть низькими.
Заявлені 200 мА (1.5 В) і 500 мА (3 В), найімовірніше, не потягнуть, але будуть близькими до цього.
Нагрівання невелике, надійність хороша: я багато разів перевантажував плату, але вона вперто переходила в захист (захист не тригерний).

Велика — тут окрема історія. Реальний приклад того, як невдале проєктування може звести нанівець хороші характеристики встановлених компонентів.
Так, компоненти на платі нормальні, мікросхема мені взагалі дуже сподобалася (треба буде купити десяток про запас). Але тут і неправильне трасування, і підлаштувальний резистор, підключений абияк, і відсутність електролітів на вході та виході (за таких струмів вони вже не зайві).
Тобто сама плата в тому вигляді, як є, мені не сподобалася, але невеликими зусиллями з неї можна отримати хороший результат. А ще кращий результат — після перероблення її на універсальний перетворювач :)

На цьому, мабуть, усе: плати працюють, профіт отримано, звіт написано, чекаю на запитання в коментарях :)