FR9888 чи мікросхема синхронного знижувального перетворювача StepDown

Цей огляд є продовженням експериментів зі знижувальними перетворювачами напруги. Заодно в цьому огляді я трохи розповім про те, що таке перетворювач із синхронним випрямленням.

Взагалі тему різних перетворювачів я почав давно, але приводом для купівлі цих мікросхем став нещодавній огляд маленької мікросхеми для перетворювача StepDown, у коментарях до якого мені й запропонували ще варіанти.
Для початку — посилання на два попередні огляди.
TRI1461
MP2359DJ

А ось кілька посилань на мої огляди мікросхем і перетворювачів.
PT4115E
AMC7135
Набір дроселів CDRH104R
LTC4054
регульований DC-DC перетворювач
SC6038
MC34063
ICL7660
DC-DC перетворювач
Пара перетворювачів Step-Up та їх невелике вдосконалення до SEPIC
Універсальний перетворювач напруги або кілька слів про те, що таке SEPIC
Багатоканальний перетворювач DC-DC
ZXY6020S
ZXY6005S
перетворювач на базі LTC3780
Модуль DC-DC Step Down із заявленим струмом 10 ампер

Мікросхеми продаються лотом по 10 штук, на момент купівлі коштували 1.67, зараз — 1.71, але, найімовірніше, тоді була знижка в мобільному застосунку.
До речі, лише сьогодні помітив, що тепер на сторінці замовлень Ali не відображається час, що залишився до завершення захисту замовлення.

Мікросхеми надіслали в невеликому жовтому конверті, усередині — звичайний пакетик із застібкою, кількість відповідає замовленій.


Короткий опис англійською.
Якщо коротко, то:
Вхідна напруга — 4.5–23 В
Вихідна напруга — 0.925–20 В
Вихідний струм — до 3.5 А
Частота перетворення — фіксована, 340 кГц.
А ще різні корисні функції: термозахист, захист від перевантаження за струмом тощо.

Посилання на повний даташит.


Мікросхема в корпусі SOP-8, знизу розташована контактна площадка для припаювання до плати — це потрібно, щоб поліпшити відведення тепла від кристала мікросхеми.


Блок-схема мікросхеми. Варто зазначити вельми незвичну опорну напругу — 0.925 Вольта.
У коментарях мене якось запитували, чому в перетворювачі не можна встановити вихідну напругу нижче певного мінімуму.
Ось саме опорна напруга й визначає цей параметр. Мікросхема порівнює напругу на вимірювальному вході зі своєю опорною і, якщо напруга на вході вища, намагається зменшити ширину імпульсів, щоб знизити цю напругу. Так само й навпаки: якщо напруга на вході нижча, намагається збільшити ширину імпульсів, щоб підвищити напругу.
Тому простими способами зменшити вихідну напругу нижче опорної не вийде: мікросхема завжди намагатиметься підвищити напругу так, щоб на вході було 0.925 В (або відповідне значення для інших мікросхем). А збільшити її не проблема — просто встановлюємо дільник із пари резисторів.

Друге, що незвично в цій мікросхемі, — на виході не один, а два польові транзистори.
У цій мікросхемі є вбудований синхронний випрямляч. Напевно, багато хто в попередніх оглядах помічав, що біля мікросхеми завжди «пасеться» невеликий (або великий) діод. Так от, цій мікросхемі зовнішній діод не потрібен.

Третя зручна особливість мікросхеми — наявність входу SS — Soft Start. Після подавання живлення мікросхема запускається не миттєво, а поступово збільшує ширину імпульсів, доки не перейде в режим стабілізації. Такий режим корисний із «важкими» навантаженнями, які за різкого подавання напруги можуть перевести мікросхему в режим захисту від перевищення струму.


Трохи відволічуся на тему синхронного випрямлення.
Досить давно проблему стабілізації напруги розв’язували за допомогою лінійних дискретних стабілізаторів. Потім почали випускати інтегральні — у вигляді «багатоніжок» із зовнішніми елементами та зовнішнім потужним транзистором.
Після цього з’явилися звичні багатьом мікросхеми КРЕН, або, точніше, КР142ЕНхх.
Вони були зручні: малі пульсації на виході, дуже просте підключення, от тільки тепла розсіювали чимало. Але радіатори були дешеві, та й нікого особливо не хвилювало тепло.
Хоча я показував у одному з оглядів, як зробити перетворювач із високим ККД на КРЕН5 (7805).
Але паралельно розвивалися й імпульсні стабілізатори. Спочатку вони теж були дискретними (без спеціалізованих мікросхем) і досить складними, що частково гальмувало їх застосування. Але згодом почали виготовляти (а частіше копіювати закордонні) інтегральні ШІМ-стабілізатори напруги.

Простий імпульсний стабілізатор напруги складається з кількох основних вузлів (розглянемо знижувальний).
Власне, контролер
Ключовий транзистор
Діод
Дросель
Вихідний конденсатор.

Нас цікавлять перші три пункти.
Усі знають, що біполярні транзистори й діоди мають фіксоване падіння напруги на переході. У звичайних діодів воно більше, у діодів Шотткі — менше.
Таке рішення загалом просте й дешеве. Але згодом почали застосовувати польові транзистори, що дало змогу підвищити ККД перетворювачів, адже за допомогою польових транзисторів можна забезпечити менше падіння напруги на ключовому елементі.
ККД підвищився, але залишався діод, який набагато складніше замінити транзистором. Та згодом розв’язали й цю проблему: цей перетворювач якраз і є прикладом такого рішення.

На блок-схемі ліворуч показано звичайний перетворювач із зовнішнім діодом, праворуч — той, що в огляді.
На початку циклу перетворення транзистор відкривається, і в дроселі накопичується енергія. Через деякий час транзистор закривається, напруга на виводах дроселя змінюється на протилежну, і струм починає текти через діод до навантаження.
У цій мікросхемі діод замінили польовим транзистором і розмістили його всередині мікросхеми. ККД став вищим, і тепер перетворювачу не потрібен зовнішній діод. Хоча насправді діод є — паразитний діод польового транзистора, але в цьому разі це не принципово.


На цьому закінчу з теорією й перейду до практики.
У даташиті було два варіанти схеми перетворювача: з керамічними та електролітичними конденсаторами.
Я вирішив робити перший варіант, із керамічними конденсаторами: так виходить трохи компактніше.


У даташиті на мікросхему був приклад трасування, яким я й скористався.


У моєму варіанті друкована плата має такий вигляд.


Для цього завдання я знайшов удома деякі деталі, а коли був на ринку, то додатково купив дросель 5.2мкГн, але, як з'ясувалося згодом, дарма. Та й коштував дросель майже долар — дуже дорого навіть для офлайну.


Дарма я купив дросель, бо хотів зробити вихідну напругу 5 Вольт, а судячи з таблиці, для цього дросель має мати індуктивність 10мкГн.
До речі, у цій таблиці є й номінали подільника для певних фіксованих вихідних напруг.
Я використав трохи інші номінали зі стандартного ряду Е24: нижній резистор 9.1кОм, верхній — 39кОм. За розрахунками верхній мав бути 40кОм, але оскільки точна напруга мені була не потрібна, обійшовся так.


Після цього перейшов до складання.
Оскільки мікросхему потрібно припаяти нижньою пластиною до полігона плати, спочатку я зробив так, як на фото:
1. Наніс трохи припою під мікросхему.
2. Прогрів полігон і встановив мікросхему на місце, ще раз прогрів з обох боків, притискаючи мікросхему пінцетом.
3. Перевірив, чи справді припаялося дно мікросхеми, спробувавши її підчепити, а потім припаяв решту виводів.
4. Промив плату й перейшов до монтажу решти компонентів.
Звісно, простіше було припаяти мікросхему за допомогою фена — зрештою я так і зробив. Але фен є не в усіх.


У результаті в мене вийшла така платка.
Дросель не припаяний, а просто показаний для демонстрації того, як це було задумано. Втім, так плату теж можна використовувати, але за низьких вихідних напруг.


У мене був такий самий дросель, тільки на 10мкГн, але він не підходив, бо розрахований на менший струм. Річ у тім, що зі збільшенням індуктивності зменшується робочий струм дроселя (за однакових габаритів), і якщо 5.2мкГн мені ще підходив за струмом, то 10мкГн уже не підходить — принаймні з тієї серії, під яку я трасував плату.

Довелося знайти вдома різні дроселі, а потім один із них перемотати, щоб отримати потрібну мені індуктивність.
Дросель намотаний двома проводами діаметром 0.63мм.


Фото, щоб було зрозуміло розміри, і порівняння її з платами з двох попередніх оглядів.


Ближче.


Як тестовий стенд я використав той самий набір, що й минулого разу
Блок живлення
Електронне навантаження
Мультиметр
Ще один мультиметр
Осцилограф
Безконтактний термометр

Але під час увімкнення на мене чекала невдача.
Перетворювач запрацював, але за струму навантаження 0.7 Ампера переходив у режим захисту й знижував вихідну напругу майже до нуля.
Крім того, вихідна напруга була трохи нижчою за розрахункову. А після кількох експериментів мікросхема взагалі спочатку видавала на виході 6 Вольт, а потім зовсім відмовилася працювати :(
Зняв мікросхему феном, припаяв нову (вже за допомогою фена) — нічого не працює, на виході напруги немає, струм споживання 90мА.
Зрештою зняв і другу мікросхему, припаяв третю. З нею вихідна напруга стала такою, як і задумувалося, а мікросхема й далі працювала коректно.
На першому фото — перша мікросхема, на другому — третя.


Перший тест — вимірювання споживаного струму без навантаження на виході.
Не сказав би, що це мало: очікував, що мікросхема споживатиме менше.
23мА за 10 Вольт і 28мА за 20 Вольт


Процес тестування:
1. Вихідний струм 1 Ампер, вхідна напруга 10-15-20 вольт
2. Вихідний струм 2 Ампера, вхідна напруга 10-15-20 вольт
3. Вихідний струм 3 Ампера, вхідна напруга 10-15-20 вольт


Усі осцилограми наводити не буду, покажу лише режим холостого ходу й максимального навантаження за вхідної напруги 20 Вольт.
Пульсації практично відсутні, я навіть перевірив, чи встановлено режим 1:1 у дільника щупа.


Перевірка мінімальної вхідної напруги за різних струмів навантаження: 1-2-3 Ампера.
Вихідна напруга при цьому — близько 4.75 Вольта.


Не оминув увагою і захист від короткого замикання на виході.
Захист працює чудово, але не переходить у циклічний режим, а працює в режимі, подібному до стабілізації струму.


А от із вихідним струмом є невелика проблема.
За струму навантаження 3 Ампера мікросхема через деякий час вимикається через перевищення температури корпусу. Якщо трохи подути на мікросхему, усе працює чудово.
Причина, найімовірніше, у тому, що під мікросхемою мають бути перехідні отвори на другий бік плати, а сама плата має бути двосторонньою. Я ж використав тонку односторонню плату, і вона просто не справлялася з відведенням тепла.


Але сама мікросхема може працювати зі струмом навантаження до 4.5 Ампера, далі спрацьовує обмеження вихідного струму.
Звісно, струм 4-4.5 Ампера мікросхема може видавати лише короткочасно, але все ж це добре.
На фото — вхідний струм за вихідного струму 3.5-4-4.5 Ампера.


Ну і, звісно ж, я перевірю ККД.
Виробник наводить такий графік для вихідної напруги 5 В. Щоправда, я перевіряв за напруги 10–15–20 В, а не 12 і 23, як у даташиті, але не думаю, що це критично.


Ну що тут сказати: заявленого ККД я так і не отримав, хоча, звісно, за таких вихідних струмів ефективність відносно непогана.
Як температуру мікросхеми за струму 3 А наведено температуру спрацьовування термозахисту.
Крім того, чітко видно, що за вхідної напруги 10 В ККД помітно вищий, ніж за 20 В.
До речі, вже після експериментів я вирішив ще трохи познущатися з мікросхеми. Для цього я добряче прогрів її феном і сильно притиснув пінцетом до плати. Після цього термозахист став спрацьовувати помітно рідше, але все одно 3 А вона не витримувала, а за 2,5 А працювала коректно.


Ну і що ж можна сказати в підсумку.
Переваги
Ціна
Коректно працює захист від КЗ, перевантаження та перегрівання.
Хороша здатність витримувати перевантаження
Наявність плавного запуску.
Дуже низькі пульсації вихідної напруги.

Недоліки
ККД нижчий за заявлений
Незрозуміла ситуація з надійністю під час монтажу мікросхем на плату.

Моя думка. Мікросхема трохи не виправдала моїх сподівань, якось очікував більшого. Хоча, звісно, я не дотримувався всіх вимог виробника й припаяв мікросхему без відведення тепла на інший бік плати. Але все одно найбільше мене засмутив ККД, хоча в діапазоні 10–15 В він вищий, ніж у попередніх зразків. Наведу невелике порівняння за струму 2 А
Ліворуч та, яку оглядаємо, праворуч TRI1461
10 В — 89,7/86
15 В — 87,4/86.1
20 В — 84.9/86.1

Загалом, що можна сказати: за струму до 2,5 А використовувати можна, а за струму до 2 А можна навіть не припаяти тепловідвід. Але дуже бентежить збій із першим зразком — досі не можу зрозуміти, що це було. Навіть засмутився, якось уже звик, що зібрав — і воно працює :)
До речі, у цьому плані мікросхеми з фланцем набагато зручніші: прогрів фланець — мікросхема припаялася, а з тією, яку оглядаємо, така операція дуже незручна.

Сподіваюся, інформація буде корисною. Здається, розповів усе, що міг, а на запитання й побажання, як завжди, чекаю в коментарях.