多路DC-DC转换器

今天我来评测另一款套件，它可以组装成多路电压转换器。
前段时间，应读者要求，我订购了几款不同的电压转换器。不过这款是我自己挑的，纯粹出于好奇，想看看它到底是什么，也觉得说不定有人用得上。
照片、电路图、测试，一如既往，样样都有 :)

正如我前面所说，订购这款转换器纯粹是为了自己看看，也给大家展示一下，对我来说它没有什么实际用途。
一开始吸引我的是，它能在5–24 V输入电压下输出5种电压（其中两种为负电压）。
这确实挺有意思。

双电源供电的应用并不多见，比如音频设备或传感器电路。
不过既然这是个套件，我想可能会有人感兴趣，于是就下单了。

卖家用一个厚实的聚乙烯信封寄来了转换器，里面还用一张发泡聚乙烯片包着。总的来说，这是这家店常见的包装，我只能说东西完好无损。


里面有一个带按扣的小号防静电袋。从照片上可以看到，里面的东西全都“散装”放着。


把袋子里的东西倒在桌上，就成了这么一堆。顺便提醒一下，拆包时最好留神，套件里有些元件特别爱在桌上滚来滚去，还可能一路滚到桌子外面去 :)


既然这是个套件，评测的大部分内容自然会侧重于评价它作为套件的表现，组装完成后的测试则另行进行。

下面看看套件里都有什么。
首先让我意外的是，电容质量不错，采用Samwha生产的电容，而且还是RD系列。
我一直在用这类电容，价格便宜，可靠性也相当不错。
此外还有一大堆各种接插件，这套件的设计目标是做成相当通用的方案。

配件方面我没什么可挑剔的，东西齐全，没有损坏，甚至还附送了几个小散热片。


套件里没有附电路图，因为所有必要的标识都印在了电路板上。元件看起来不少，但实际上其中很大一部分都是同一个规格。


电路板背面没有标识，因为这里不安装任何元件，采用的是单面安装。


电路板的制造质量也无可挑剔，品质很好，丝印清晰，位置也都对得上。板材是玻璃纤维覆铜板。


套件没有附电路图，而我又很好奇中国工程师究竟设计出了什么名堂，于是就把这个设备的原理图画了出来。
如果有人买了这套件，这张图说不定能派上用场。

左侧标出了两个电源接口，其中USB接口可以断开。
也就是说，如果USB接口已经接上电源，再接上另一个接口，电路板就会由后者供电。

输入电容只有22 µF，这让我在评测过程中遇到了一些麻烦。比如，实验室电源显示平均电流为0.5–1 A，但限流指示灯却亮了，而限流值设在2.5 A。增大输入电容后情况有所改善，但问题并没有完全解决。

C3和C5使用电解电容，这有点出乎意料；这类电路通常会用陶瓷电容。不知道这是为了省钱，还是经过了合理权衡，我觉得前者的可能性更大。也可能是为了简化套件而这样设计。


由于电路看起来比较复杂，我画了一张框图，这样更容易理解。
图中右侧的部分只是普通的线性稳压器，一共五个，所以我觉得没必要多说，大家应该都很熟悉。
而电路左侧就有意思多了。
没错，又是SEPIC，采用几乎经典的双电感结构。我之前做过几篇关于这种转换器的评测，本来没打算在这篇评测里再讲它，结果它又找上门来了（显然是看了太多评测，现在开始追着我跑）。

一开始我以为板上只是一个升压转换器加上负电压生成电路。之所以这么想，是因为我没注意到输入电压范围最高可达24 V，而只有SEPIC才能做到这一点。

L1、L2、C1、C3、VD1，以及用S1表示的PWM控制器，共同构成了经典的双电感SEPIC转换器（很快我还会评测另一种电路结构的这种转换器）。
这部分没什么特别可讲的，我已经做过几篇评测，把能说的都说了。
不过，设计者还更进一步，加入了负电压生成电路。
在框图中，这部分用红色标出。
通过电容C2提取交流分量，之后电路的工作方式类似普通的降压转换器，只是采用了负电压接法，二极管方向也反了。
诀窍就是这么简单。


简单了解了电路和工作原理后，接下来就进入组装环节，看看具体过程。
这块板很适合用来练习，因为上面既有普通元件，也有SMD元件，而且没有那些难度较高的小型元件。

套件里附带了一个PWM控制器XL6008。它是升压转换器（功率开关接地）的控制器，也可以用于SEPIC。
内置功率开关的最大电流标称为3 A。不过考虑到这是升压转换器，这个数值并不算高，因为这类转换器的输入电流总是大于输出电流。
最大电压为60 V，但在这个电路中并不重要，因为电路的设定电压更低。在我看来，换成耐压30 V、电流6 A的芯片会更好。

套件里还附带了5个线性稳压器，输出电压分别为12、5、3.3、-12和-5 V。
这部分应该没什么疑问，毕竟已经是经典方案了。


这篇评测也带有一些教学性质（毕竟我们评测的是套件），所以我再讲一点焊接和元件安装方面的注意事项。

我先安装有源SMD元件。通常出于安全考虑，建议最后再安装它们，但我的经验是，现代元件都有保护措施，任何阶段安装都没问题。
对于较大的元件，我会先只焊接兼作散热片的法兰。要使用烙铁头较大的烙铁，或者温控性能好的烙铁。也可以稍微调高温度，否则焊接时间会很长，最后反而会把元件过热（不过现代元件对此也挺耐受）。


这样把所有元件固定在电路板上后，再焊接它们其余的引脚。也可以逐个把元件全部焊好，但焊接引脚时需要较低的烙铁温度，所以更简单的做法是先焊完所有大面积焊盘，再处理其他部分。
二极管按照片中的方向安装，二极管上的色环要对准电路板上的宽条纹。


安装较大的SMD元件时要留意，避免已经装好的元件妨碍其他元件的安装。
我在照片上标出了容易出问题的位置。如果先安装右侧的电感，它就会妨碍左侧电感的安装。
当然也不是不能焊，但操作会不太方便，有时甚至很困难，所以最好先想好怎样安装更顺手。


例如在这种情况下，最好按1-2-3或1-3-2的顺序安装元件。
意思应该很清楚。
这里我也是先给每个元件的一只焊盘上锡，然后再焊好其余焊盘。不过我这么做另有考虑。
这是因为，如果电感装错了位置，或者妨碍了其他元件，拆掉一侧要比两侧都拆掉容易得多。焊锡通常会渗得很深，而大电感的引脚热容量也很大，同时加热两个焊盘不方便，轮流加热又不安全，可能直接把引脚弄断。


套件里附带了几个电阻，精度还挺高，有1%。


要把它们弄混还挺难的，因为1 kΩ的电阻有3个，而2 kΩ和12 kΩ的电阻也不难区分。不过以防万一，我附上一张电阻阻值识别表。


套件里附带了7个陶瓷电容，阻值都一样，都是100 nF，很方便，不用在电路板上挨个找该装在哪里。


为了方便，厂家还设计了由3个LED组成的指示灯。
一个指示输入端有电压，另外两个分别指示+5 V和-5 V输出端有电压。
长脚是阳极，短脚是阴极。照片右侧的LED摆放方向就是焊接时的方向。
这适用于所有单色LED。
焊LED时，我想起了国产的АЛ307。据我记得，红色和绿色型号的极性标记方向不同，不过年代久远，我可能记错了。


电解电容。
这里数量不少，但只有3种规格：22 µF、47 µF和470 µF。这些元件通常会在组装接近尾声时安装，因为它们往往是最高的元件之一。


最后说说通常最后才装到电路板上的东西——连接器。
连接器通常最后安装，并不是因为它们又大又高，而是因为安装前要先清洗电路板，之后再装连接器。
如果装好连接器后再清洗电路板，清洗剂溶解的助焊剂可能会流进连接器里，之后你就得花很长时间寻找接触不良的原因。
我本来就没打算清洗电路板，所以直接装上了。


差点忘了提一种我之前的评测里没出现过的元件。
说的是自恢复保险丝。

先看看它们长什么样。很多人肯定在主板、安防设备、小型电话交换机等设备上见过它们。有些人甚至可能因为外形相似，把它们误认成电容。


聚合物保险丝的工作原理说简单也简单，说复杂也复杂。
简单在于：发生过载后，保险丝发热，电流会骤降。过载原因排除后，保险丝冷却下来，又能继续导通。很方便。

复杂之处在于，这个小东西内部会发生一系列化学过程，所以这种保险丝可不便宜，至少正品是这样。
保险丝内部发生的过程，用这张图更容易解释。


从这张曲线图可以看出，电流超过限值时会发生什么。
顺便说一下，保险丝有不同的额定电压，常见的是30和60（75）V，也有250 V的型号，不过适用于较小电流。
这是因为保险丝的尺寸与其熔断电流直接相关，所以我家里能找到的（也是我见过的）最大规格是9 A、30 V。额定电压为60 V的保险丝，最大额定电流就只有6～7 A了。

此外还要考虑三点：
1. 这种保险丝无法完全切断供电回路，因此在一定程度上存在安全隐患。
2. 这种保险丝动作较慢。没错，和其他保险丝一样，它的动作时间取决于过载电流，但它的动作速度更慢，这一点需要注意。
3. 这种保险丝工作时会有些发热（即使流过的是正常工作电流），限流时则会明显发烫，因此不建议安装在对温度敏感的元件附近。


套件里附带的保险丝额定电压最高为30 V（顶部的数字30），额定电流最高为3 A（类型标记UF后面的数字300）。
对于较大或会发热的元件，我通常会把引脚弯折成形，算是习惯吧。


好了，电路板已经全部焊接完成。


电路板一侧是电源输入接口，可以看到有一个MiniUSB接口和一个5.5/2.1接口。
另一侧是接线端子，还有与之并联的排针接口。这里不用插跳线帽哦 :)
标识很清楚，地线触点有三个，分别对应3.3 V输出，以及5 V和12 V两组输出，设计得相当周到。


一开始我没提到，焊接过程中我只用了含助焊剂的焊锡，没有使用其他任何辅助焊接的材料。
这块电路板非常好焊，没有氧化，表面处理也很好，这点给5分。
对于不太擅长使用烙铁的人来说，这一点尤其重要，感觉电路板会“自己”焊好 :)))


芯片和稳压器下方有金属化过孔，可以将热量更好地传导到电路板背面。
不过每个元件下面只有三个过孔，我觉得太少了，所以为了改善导热，我把孔里都填上了焊锡。
如果让我来设计，我会做两处改进：
1. 增加过孔数量
2. 加大焊盘尺寸，反正电路板上还有空间。


电路板套件里附带了六个小散热片。我不知道设计者原本打算把它们贴在哪里，因为贴在底面会碍事，贴在顶面又没什么效果。


每个散热片上都已经贴好了黑色导热双面胶（真的是导热的吗？）。


我最后还是决定把散热片贴在上面。底面我已经在导热焊盘上补了焊锡，现在焊盘凸起来了，散热片就更难贴牢了。


我没说错，我粘的是一个散热片，不是多个散热片。
照片只是展示电路板应该呈现的样子。不过我只在PWM控制器上粘了散热片，因为我觉得没必要给其他元件也粘散热片。
不，稳压器也会发热，而且相当严重，只是这不会影响测试结果，我觉得保持原样也可以，所以就把散热片放回小袋子里了。


第一次试着通电。这次我直接用USB集线器给电路板供电，通电前甚至没检查有没有错误。
不过一切顺利，没有冒出魔法烟雾，电路板启动了，三个指示转换器正在工作的LED也都亮了。
在我看来，这也算是个优点：焊好、通电，就能工作。


接下来的测试改用实验室电源供电，因为这块电路板的输入电压范围很宽。
输入电压为2.66 V时电路板就能启动，但只是启动而已，输出电压偏低。


输入电压达到约3.2 V时，芯片才进入稳压状态；电压再升高，输出电压就不再上升了。
芯片规格书给出的最低电压是3.6 V，看起来确实如此。
所有输出端都有电压，且都在允许范围内。不过，既然负责稳压的是现成的固定电压线性稳压器，我对此本来也没什么怀疑。


但接下来的测试遇到了一些麻烦。
要测试全部5路电压，并以不同组合给它们加负载，实在很不方便。

不过，由于所有电压都是通过线性稳压器产生的，其输出电流等于输入电流（还要加上稳压器自身的功耗），所以只需测试DC-DC转换器本身的输出电压。
而这样的电压只有两路，虽然测试起来也不方便，但比5路容易多了。
测试时，我把导线焊接到了正、负电压输出端。
红线接正极，蓝线接负极。总之，我建议采用一套方便的颜色标记，这样以后就不用猜哪根线是正极了，比如黄色还是紫色？:)


在无负载的情况下，分别测量正、负两路输出，电压范围为3.2–24 V。
在我看来，目前一切都不错，输出电压几乎没有变化。


接下来先给正极输出加上400 mA的负载。
两路输出电压都相当稳定。
正极为16.28 V，负极为16.68 V。
先为照片质量不佳道个歉，我怎么也没法把所有东西都方便地摆在桌上，所以接下来我会直接报数字。


但只给负极通道加负载时就出了问题。
电流达到400 mA时，电压降到了我设定的4 V下限以下（我在电子负载上设置了保护下限），于是负载自动断开。
电流为300 mA时，负载试着工作了，但不稳定。
只有电流降到200 mA时才能稳定工作，但从照片上可以看到，输出电压从16 V降到了12 V。此时12 V稳压器已经无法正常稳压，实际电压只有10.7 V。


为了进行后续测试，我在+12 V通道上接入了负载：两个15 Ω电阻串联，在12 V时负载电流约为400 mA。
负极通道不带负载时没有问题，一切正常，而且还有余量（后面会解释）。


下面逐项来看。
1. 输入12 V，正极通道负载400 mA，负极通道负载200 mA，一切正常。
2. 输入12 V，正极通道负载400 mA，负极通道负载400 mA，一切正常。转换器的输出电压有所下降，但仍在正常范围内。
3. 过了一会儿，电压开始略微下降；从输入电流也能看出来：原本是1.35 A，后来降到了1.06 A。
4. 将负极通道的负载电流降至300 mA后，转换器的输出电压稍微恢复了一些，但仍低于临界值。

对于普通线性稳压器来说，输入与输出之间的临界压差约为2.5 V。虽然也有低压差稳压器，但这里装的可是普通型号。
5 V和3.3 V输出不会有问题，因为余量很大；但12 V输出会偏低，输入至少需要14.5 V。

现在正好可以回到我前面提到的“还有余量”这句话。
从上一张照片可以看到，正极通道的负载电流为400 mA，而输入电流只有700 mA。
测试过程中我发现，无论怎么给转换器加负载，持续负载时输入电流都不会超过1 A。即使一度超过1 A，之后也还是会降下来。这是PWM控制器过热导致的（尽管它上面装了散热片）。只要对着散热片吹一吹，电压马上就会明显升高。


之后我又做了几项测试（我知道，测试说得有点多了）。
以下四种情况下，负极通道的负载电流均为200 mA。
1. 输入12 V，正极输出负载400 mA，负极输出负载200 mA，基本正常：正极通道DC-DC的输出不是16 V，而是15.16 V。
2. 输入24 V，正极输出负载400 mA，负极输出负载200 mA，一切正常，甚至比上一次测试更好：正极通道电压为15.96 V，而不是16 V。
3. 输入15 V，正极输出负载400 mA，负极输出负载200 mA，结果介于前两种情况之间。
4. 输入9 V。这次压降就很明显了，16 V只剩下12.4 V。


这里可以看到，如果12 V线性稳压器的输入只有12.4 V（上一项测试的最后一种情况），那么输出电压会降到10.73 V，实在令人沮丧。
正如我前面所说，最好让输入与输出之间的压差至少保持在2.5 V。


再简单测一下纹波。
通常需要双电源的场合是音频设备或测量仪器，因此纹波大小相当重要。

测量+12 V输出端的纹波，此时只有正极通道接了负载。
怎么说呢，不太理想，纹波约为60–80 mV，偏大。
不过，这说明线性稳压器对输入端的高频纹波抑制得不太好；而我们的PWM控制器工作频率相当高，达到400 kHz。此外，SEPIC也是“噪声”最大的DC-DC转换器拓扑之一。
在转换器输出端与稳压器之间加一个小电感，情况会明显改善，但这里没有。


还是同一项测试，不过这次负极通道也接了负载。
纹波几乎升到了100 mV，唉 :(


现在来看看-12 V通道的情况。
负载电流为200 mA，正电压通道也同样加载了400 mA。
输入电压较低时，噪声更小，特征也有所不同，但输出电压明显偏低。
如果提高输入电压，直到线性稳压器开始正常工作，纹波就会增大，又达到70-90 mV。
总的来说，情况和上一个测试完全一样，需要加电感。
更准确地说，需要两个电感：一个接在转换器正输出与线性稳压器之间，另一个接在负输出与对应的线性稳压器之间。

测试到此结束，现在已经可以得出一些结论了。先照例放一张和火柴盒的合影，方便大家了解电路板的尺寸。


说说组装和测试后的感受吧。
先说组装过程，绝对可以给满分：电路板很容易组装，所有孔位都对得上，不用锉、不用额外加工。组装起来确实很享受。而且组装完成后，电路板马上就能正常工作。

至于这台设备的实际表现，三言两语可说不清。
我试着解释一下。
厂家写道（删去无关内容）——1. 输出功率=各路输出电压×总输出电流，输入功率至少应大于输出功率/0.9。例如，使用标准的5 V、1 A电源时，给本设备供电，最多可提供约4.5 W的输出功率。
2. 设备总输出功率不应超过10 W。单路输出可以短时间提供较大电流，但此时务必注意散热片温度，不能过高，以免损坏IC。如果没有相关经验，请将每个通道的输出电流控制在0.2 A以下。输出电流过大可能导致IC过热损坏。
大意是：
1. 转换器的输出功率不能超过输入功率的0.9倍。例如输入为5 V、1 A时，输出功率不会超过4.5 W。
2. 最大总输出功率不能超过10 W，否则会过热。为确保安全，请将输出电流限制在0.2 A以内。

但产品参数又写着：
输入电压：5-24 V DC
输出电压：+12 V、-12 V、+5 V、-5 V、+3.3 V。
输出电流：300 mA（每个通道）
输入和输出电压都很清楚，可每个通道标注的300 mA电流该怎么理解？
由于这里用的是线性稳压器，我们可以直接按转换器电压为16 V来计算。结果是16 V×1.5 A（300 mA×5个通道）=24 W。这就对不上了。
好吧，厂家又提到200 mA，按200 mA计算，结果是16 W，还是不对，毕竟标称最大功率是10 W……

总之，先不算数学题了，结合测试结果看看实际情况。
1. 转换器总会因过热而将输入电流限制在1 A。
2. 负电压通道比正电压通道弱，要正常工作，需要正电压通道也带负载。也就是说，最好不要单独给它加负载，否则会出现不平衡。
3. 实际测试中，正电压通道单独使用时，大约能输出400-550 mA。
4. 加上负电压通道后，总输出电流也不会超过400+200 mA，而且前提是输入电压至少为12 V（最好是15-24 V）。
5. 输入电压为5 V时，输出电流只有50-100 mA左右，不会更高。

这里的电流都是各通道电流之和。例如，400 mA的限值可以是：-12 V、100 mA + 5 V、200 mA + 3.3 V、100 mA = 400 mA。
一个通道加了负载，就得从另一个通道卸掉负载。总之，简直一团糟。

总的来说，这款转换器功率很弱，不过也不是完全没有用，只适合小负载电流。而且负载电流还会“飘”，另外还要考虑纹波，以及只给负电源加负载时的电压跌落。

作为套件，给5分；作为成品，勉强给3分。

希望这篇评测对大家有帮助。和往常一样，欢迎在评论区补充和提问。
抱歉写了这么多字。

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