Модуль DC-DC Step Down із заявленим струмом 10 А

Ще перед Новим роком читачі попросили мене зробити огляд кількох перетворювачів.
Ну, мені загалом нескладно, та й самому цікаво: замовив, отримав, протестував.
Щоправда, мене більше зацікавив трохи інший перетворювач, але до нього ніяк не доходять руки, тож про нього — іншим разом.
А сьогодні — огляд простого DC-DC перетворювача із заявленим струмом 10 Ампер.

Заздалегідь перепрошую за велику затримку з публікацією цього огляду тих, хто давно на нього чекав.

Для початку — характеристики, заявлені на сторінці товару, а також невелике пояснення й уточнення.
Вхідна напруга: 7-40V
1, Вихідна напруга: плавне регулювання (1.25-35V)
2, Вихідний струм: 8A, максимум 10A протягом певного часу (якщо температура силового транзистора перевищує 65 градусів, додайте вентилятор охолодження; за напруги 24V, вихідної напруги 12V і струму 5A зазвичай можна використовувати за кімнатної температури без вентилятора)
3, Діапазон стабілізації струму: 0.3-10A (регульований); якщо температура модуля перевищує 65 градусів, додайте вентилятор.
4, Струм вимкнення індикатора: значення струму * (0.1). У цій версії він фіксований і становить 0.1 від заданого значення (насправді значення струму вимкнення індикатора, імовірно, не дуже точне); повністю заряджений акумулятор визначається за інструкцією.
5, Мінімальний перепад напруги: 1V
6, ККД: до приблизно 95% (що вища вихідна напруга, то вищий ККД)
7, Робоча частота: 300KHZ
8, Пульсації на виході: близько 50mV (без шуму), смуга пропускання 20M (для довідки); виміряно за вхідної напруги 24V, вихідної напруги 12V і струму 5A
9, Робоча температура: промисловий діапазон (-40 ℃ до + 85 ℃)
10, Струм холостого ходу: типово 20mA (перетворення 24V на 12V)
11, Стабілізація струму за зміни навантаження: ± 1% (стала)
12, Стабілізація напруги: ± 1%
13, Точність стабілізації струму та температурна залежність: за результатами фактичного тестування, коли температура модуля змінюється від 25 до 60 градусів, зміна становить менш ніж 5% від значення струму (значення струму 5A)

Трохи перекладу зрозумілішою мовою.
1. Діапазон регулювання вихідної напруги — 1.25-35 Вольт
2. Вихідний струм — 8 Ампер, можна й 10, але з додатковим охолодженням за допомогою вентилятора.
3. Діапазон регулювання струму — 0,3-10 Ампер
4. Поріг вимкнення індикації заряджання — 0.1 від установленого вихідного струму.
5. Мінімальна різниця між вхідною та вихідною напругою — 1 Вольт (імовірно)
6. ККД — до 95%
7. Робоча частота — 300кГц
8. Пульсації вихідної напруги — 50мВ за струму 5 Ампер, вхідної напруги 24 і вихідної 12 Вольт.
9. Діапазон робочих температур — від — 40 ℃ до + 85 ℃.
10. Власний струм споживання — до 20мА
11. Точність стабілізації струму — ±1%
12. Точність стабілізації напруги — ±1%
13. Параметри перевірено в діапазоні температур 25-60 градусів; зміна становила менш ніж 5% за струму навантаження 5 Ампер.

Замовлення прийшло у звичайному поліетиленовому пакетику, щедро обмотаному стрічкою зі спіненого поліетилену. Під час доставки нічого не постраждало.
Усередині була моя піддослідна платка.


Зовні жодних зауважень. Просто покрутив у руках — і навіть особливо причепитися не було до чого: усе акуратно, а якби замінити конденсатори на фірмові, сказав би, що красиво.
На одному боці плати розміщені дві клемні колодки — вхід і вихід живлення.


На другому боці — два підлаштувальні резистори для регулювання вихідної напруги та струму.


Якщо подивитися на фото в магазині, платка здається доволі великою.
Я навмисно зробив крупним планом і два попередні фото. Але справжній розмір стає зрозумілим, коли кладеш поруч із нею коробок сірників.
Платка справді маленька. Коли замовляв, розмірів не дивився, але чомусь мені здавалося, що вона помітно більша. :)
Розміри плати — 65х37мм
Розміри перетворювача — 65х47х24мм


Плата двошарова, монтаж двосторонній.
До паяння також зауважень не виникло. Іноді буває, що масивні контакти погано пропаяні, але на фото видно, що тут такого немає.
Щоправда, елементи не пронумеровані, але, думаю, нічого страшного — схема доволі проста.


Крім силових елементів, на платі є й операційний підсилювач, який живиться від стабілізатора 78L05. Також є простеньке джерело опорної напруги, зібране за допомогою TL431.


На платі встановлено потужний ШІМ-контролер XL4016E1, причому його навіть ізольовано від радіатора.
Не знаю, навіщо виробник ізолював мікросхему від радіатора, адже це погіршує тепловідведення. Можливо, з міркувань безпеки, але оскільки плату зазвичай кудись вбудовують, мені здається, це зайве.


Оскільки плата розрахована на досить великий вихідний струм, як силовий діод використали досить потужну діодну збірку MBR20100CT, яку також встановили на радіатор і теж ізолювали від нього.
На мій погляд, це дуже вдале рішення, але його можна було б трохи вдосконалити, якби використали збірку на 60 Вольт, а не на 100.

Дросель не дуже великий, але на цьому фото видно, що його намотано двома проводами, а це вже непогано.


1, 2 На вході встановлено два конденсатори 470мкФ х 50 В, на виході — два по 1000мкФ, але на 35 В.
Якщо орієнтуватися на перелік заявлених характеристик, то за вихідною напругою конденсатори працюють майже на межі, але навряд чи хтось знижуватиме напругу з 40 до 35, не кажучи вже про те, що 40 Вольт для мікросхеми — це взагалі максимальна вхідна напруга.
3. Вхідний і вихідний роз'єми підписані, щоправда, знизу плати, але це не так уже й принципово.
4. А от підлаштувальні резистори ніяк не позначені.
Ліворуч регулювання максимального вихідного струму, праворуч — напруги.


А тепер трохи розберімося із заявленими характеристиками та з тим, що маємо насправді.
Вище я писав, що в перетворювачі застосовано потужний ШІМ-контролер, а точніше — ШІМ-контролер із вбудованим силовим транзистором.
Також вище я цитував заявлені характеристики плати. Спробуймо розібратися.
Заявлено — Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
Тут запитань немає: перетворювач видасть 35 Вольт, теоретично навіть 36.
Заявлено — Output Current: 8A, 10A maximum
А ось тут є запитання. Виробник мікросхеми чітко вказує максимальний вихідний струм 8 Ампер. У характеристиках мікросхеми справді є рядок — обмеження максимального струму — 10 Ампер. Але це зовсім не максимальний робочий струм: 10 Ампер — граничне значення.
Заявлено — Operating frequency: 300KHZ
300кГц — це, звісно, чудово: можна поставити дросель меншого розміру. Але, перепрошую, у даташиті цілком однозначно вказано фіксовану частоту 180кГц. Звідки ж 300?
Заявлено — Conversion efficiency: up to about 95%
Ну, тут усе чесно: ККД до 95%. Виробник узагалі заявляє до 96%, але це теоретично, за певного співвідношення вхідної та вихідної напруги.


А ось і блок-схема ШІМ-контролера, а також приклад реалізації.
До речі, тут добре видно, що для струму 8 Ампер використовують дросель щонайменше на 12 Ампер, тобто із запасом у 1.5 раза від вихідного струму. Я зазвичай рекомендую запас у 2 рази.
Також тут показано, що вихідний діод можна ставити з напругою 45 Вольт. Діоди на 100 Вольт зазвичай мають більше падіння напруги й, відповідно, знижують ККД.
Якщо є мета підвищити ККД цієї плати, то зі старих комп'ютерних блоків живлення можна повиколупувати діоди на кшталт 20 Ампер 45 Вольт або навіть 40 Ампер 45 Вольт.


Спочатку я не хотів креслити схему: плату зверху закривають компоненти, маска та ще й шовкографія. Але потім побачив, що схему цілком реально перемалювати, і вирішив не порушувати традицію :)
Індуктивність дроселя я не вимірював, 47мкГн узято з даташита.
У схемі застосовано здвоєний операційний підсилювач: перша частина використовується для регулювання та стабілізації струму, друга — для індикації. Видно, що вхід другого ОП підключений через дільник 1 до 11. Загалом в описі заявлено 1 до 10, але думаю, що це не принципово.


Перша проба на холостому ходу: спочатку плату налаштовано на вихідну напругу 5 Вольт.
Напруга стабільна в діапазоні напруги живлення 12-26 Вольт, струм споживання нижче 20мА, оскільки амперметр блока живлення його не реєструє.


Світлодіод світитиметься червоним, якщо вихідний струм перевищує 1/10 (1/11) від установленого.
Таку індикацію застосовують під час заряджання акумуляторів: якщо в процесі заряджання струм упав нижче ніж до 1/10, зазвичай вважається, що заряджання завершено.
Тобто встановили струм заряджання 4 Ампера — світлодіод світиться червоним, доки струм не впаде нижче 400мА.
Але є застереження: плата лише показує зниження струму, зарядний струм при цьому не вимикається, а просто продовжує знижуватися.


Для тестування я зібрав невеликий стенд, у якому брали участь:
Регульований блок живлення
Електронне навантаження
Осцилограф
Мультиметр
Безконтактний термометр
Тепловізор
Ручка й папірець, посилання загубив :)

Але під час тестування мені зрештою довелося скористатися ще й цим регульованим блоком живлення, оскільки з'ясувалося, що через мої експерименти порушилася лінійність вимірювання/задання струму в діапазоні 1-2 Ампера у потужного блока живлення.
Зрештою спочатку я провів тести нагрівання й оцінив рівень пульсацій.


Цього разу тестування відбувалося трохи інакше, ніж зазвичай.
Вимірювали температуру радіаторів у місцях, близьких до силових компонентів, оскільки через щільний монтаж було важко виміряти температуру самих компонентів.
Крім того, перевірялася робота в таких режимах:
Вхід — вихід — струм
14В — 5В — 2А
28В — 12В — 2А
14В — 5В — 4А
І так далі, до струму 7.5 А.

Чому тестування відбувалося таким хитрим способом?
1. Я не був упевнений у надійності плати й поступово збільшував струм, чергуючи різні режими роботи.
2. Перетворення 14 у 5 і 28 у 12 було обрано тому, що це одні з найуживаніших режимів: 14 (приблизна напруга бортової мережі легкового автомобіля) у 5 (напруга для заряджання планшетів і телефонів), 28 (напруга бортової мережі вантажного автомобіля) у 12 (просто часто використовувана напруга).
3. Спочатку я планував тестувати, доки плата не вимкнеться або не згорить, але плани змінилися, і в мене з'явилися деякі плани щодо компонентів із цієї плати. Тому тестував лише до 7.5 Ампер. Хоча зрештою це ніяк не вплинуло на коректність перевірки.

Нижче — кілька групових фото, на яких покажу тести 5 Вольт 2 Ампера і 5 Вольт 7.5 Ампер, а також відповідний рівень пульсацій.
Пульсації за струмів 2 і 4 Ампера були схожими, так само схожими були пульсації за струмів 6 і 7.5 Ампера, тому проміжні варіанти не наводжу.


Те саме, що й вище, але на вході 28 Вольт, а на виході 12 Вольт.


Тепловий режим під час роботи з вхідною напругою 28 В і вихідною 12 В.
Видно, що далі підвищувати струм немає сенсу: тепловізор уже показує температуру ШІМ-контролера 101 градус.
Для себе я встановив певне обмеження: температура компонентів не має перевищувати 100 градусів. Загалом це залежить від самих компонентів. Наприклад, транзистори й діодні збірки можна безпечно експлуатувати й за вищих температур, а мікросхемам краще не перевищувати це значення.
На фото, звісно, видно не дуже добре: плата дуже компактна, та й у динаміці це було трохи краще помітно.


Оскільки я вирішив, що цю плату можуть використовувати як зарядний пристрій, то прикинув, як вона працюватиме в режимі, коли на вході 19 В (типова напруга блока живлення ноутбука), а на виході 14,3 В і 5,5 А (типові параметри заряджання автомобільного акумулятора).
Тут усе пройшло без проблем, ну майже без проблем, але про це згодом.


Результати вимірювання температур я звів у таблицю.
Судячи з результатів тестів, я б рекомендував не використовувати плату за струмів понад 6 А, принаймні без додаткового охолодження.


Вище я написав, що були певні особливості, поясню.
Під час тестів я помітив, що за певних обставин плата поводиться трохи неадекватно.
1,2. Виставив на виході напругу 12 В, струм навантаження — 6 А. Через 15–20 секунд вихідна напруга впала нижче 11 В, довелося підкоригувати.
3,4. На виході було встановлено 5 В, на вході — 14 В. Підняв вхідну напругу до 28 В, і вихідна впала до 4 В. На фото ліворуч струм 7,5 А, праворуч — 6 А, але струм ролі не відігравав: під час підвищення напруги під навантаженням плата «скидає» вихідну напругу.


Після цього я вирішив перевірити ККД пристрою.
Виробник навів графіки для різних режимів роботи. Мене цікавлять графіки для вихідної напруги 5 і 12 В та вхідної 12 і 24 В, оскільки вони найближчі до моїх умов тестування.
Зокрема, заявлено:
Для вхідної напруги 12 В і вихідної 5 В
2A — 91%
4A — 88%
6A — 87%
7.5A — 85%

Для вхідної напруги 24 В і вихідної 12 В.
2A — 94%
4A — 94%
6A — 93%
7.5A — Не заявлено.


Далі була, загалом, проста перевірка, але з деякими нюансами.
Тест на 5 В пройшов без проблем.


А от із тестом на 12 В були певні особливості, розпишу.
1. Вхід 28 В, вихід 12 В, 2 А — усе нормально
2. Вхід 28 В, вихід 12 В, 4 А — усе нормально
3. Підвищуємо струм навантаження до 6 А, вихідна напруга просідає до 10,09 В
4. Коригуємо, знову піднявши напругу до 12 В.
5. Підвищуємо струм навантаження до 7,5 А — знову падає, знову коригуємо.
6. Знижуємо струм навантаження до 2 А без коригування — вихідна напруга піднімається до 16,84 В.
Спочатку я хотів показати, як без навантаження напруга піднялася до 17,2 В, але вирішив, що це буде некоректно, і навів фото, де є навантаження.
Так, сумно :(


Заодно перевірив ККД у режимі заряджання автомобільного акумулятора від блока живлення ноутбука.
Але й тут не обійшлося без особливостей. Спочатку на виході було встановлено 14.3 В, я провів тест на нагрівання й відклав плату. Але потім згадав, що хотів перевірити й ККД.
Підключаю охололу плату й бачу на виході напругу близько 14.59 В, яка в міру прогрівання впала до 14.33–14.35.
Тобто фактично виходить, що вихідна напруга плати нестабільна. І якщо для свинцево-кислотних акумуляторів такий розкид не надто критичний, то літієві акумулятори цією платою заряджати категорично не можна.


У мене вийшло два тести ККД.
Вони ґрунтуються на двох результатах вимірювань, хоча зрештою відрізняються не дуже сильно.
Р вих — розрахункова вихідна потужність, значення споживаного струму округлено, Р вих DCL — вихідна потужність, виміряна електронним навантаженням. Вхідну й вихідну напругу вимірювали безпосередньо на клемах плати.
Відповідно, отримав два результати вимірювання ККД. Але в будь-якому разі видно, що ККД приблизно відповідає заявленому, хоча й трохи нижчий.
Продублюю те, що зазначено в даташиті
Для вхідних 12 В і вихідних 5 В
2A — 91%
4A — 88%
6A — 87%
7.5A — 85%

Для вхідних 24 В і вихідних 12 В.
2A — 94%
4A — 94%
6A — 93%
7.5A — не декларується.

А ось що вийшло насправді. Думаю, якби замінити потужний діод на його низьковольтніший аналог і встановити дросель, розрахований на більший струм, то вдалося б витягнути ще пару відсотків.


На цьому, здається, все. І я навіть знаю, що думають читачі —
Навіщо нам купа тестів і незрозумілих фото, просто скажи, зрештою, годиться чи ні :)
І певною мірою читачі матимуть рацію: загалом огляд можна скоротити у 2–3 рази, прибравши частину фото з тестами, але я вже так звик, вибачте.

Отже, підсумок.
Переваги
Досить якісне виготовлення
Невеликий розмір
Широкий діапазон вхідної та вихідної напруги.
Індикація завершення заряджання (зниження зарядного струму)
Плавне регулювання струму й напруги (без проблем можна встановити вихідну напругу з точністю до 0.1 В
Чудове пакування.

Недоліки.
За струму понад 6 Ампер краще використовувати додаткове охолодження.
Максимальний струм — не 10, а 8 Ампер.
Низька точність стабілізації вихідної напруги, можлива її залежність від струму навантаження, вхідної напруги й температури.
Іноді плата починала «співати». Це відбувалося в дуже вузькому діапазоні регулювання: наприклад, змінюю вихідну напругу від 5 до 12 В, і за 9.5–10 В вона тихенько пищить.

Окреме нагадування:
Плата лише показує зниження струму, вимкнути заряджання вона не може — це просто перетворювач.

Моя думка. Чесно кажучи, коли я спочатку взяв плату в руки й крутив її, оглядаючи з усіх боків, то хотів похвалити. Зроблена акуратно, особливих претензій не було. Коли підключив, теж особливо не хотілося сварити: ну гріється, так вони всі гріються, це загалом нормально.
Але коли побачив, як вихідна напруга стрибає від усього підряд, засмутився.
Не хочу розслідувати ці проблеми, адже цим має займатися виробник, який на цьому заробляє, але припущу, що проблема криється в трьох речах
1. Довга доріжка зворотного зв’язку, що проходить майже по периметру плати
2. Підлаштувальні резистори, встановлені впритул до гарячого дроселя
3. Дросель розташований просто над вузлом, де зосереджена «тонка» електроніка.
4. У колах зворотного зв’язку використано непрецизійні резистори.

Висновок — для невибагливого навантаження цілком підійде, до 6 Ампер точно, працює непогано. Як варіант, можна використовувати плату як драйвер потужних світлодіодів — працюватиме добре.
Використання як зарядного пристрою дуже сумнівне, а в деяких випадках небезпечне. Якщо свинцево-кислотний акумулятор ще нормально перенесе такі перепади, то літієві заряджати не можна, принаймні без доопрацювання.

Ось і все, як завжди, чекаю на коментарі, запитання й доповнення.

Товар надано магазином для написання огляду.