FR9888还是同步降压转换器芯片

这篇评测是我对降压转换器进行的一系列实验的续篇。顺便说说什么是同步整流转换器。

其实我很早就开始研究各种转换器了，不过这次购买这些芯片，是因为最近评测了一款用于StepDown转换器的小芯片，评论里有人给我推荐了其他型号。
先附上前两篇评测的链接。
TRI1461
MP2359DJ

再附上几篇我评测芯片和转换器的文章。
PT4115E
AMC7135
电感套装CDRH104R
LTC4054
可调DC-DC转换器
SC6038
MC34063
ICL7660
DC-DC转换器
两款升压转换器，以及将它们小幅升级为SEPIC
通用电压转换器，或者简单聊聊什么是SEPIC
多路DC-DC转换器
ZXY6020S
ZXY6005S
基于LTC3780的转换器
DC-DC Step Down模块，标称电流为10 A

芯片按10片一批出售，购买时价格是1.67，现在是1.71，不过当时很可能通过手机应用享受了折扣。
对了，我今天才注意到，Ali订单页面现在不再显示订单保护剩余时间了。

芯片装在一个小黄信封里寄来，里面是个普通的按扣袋，数量和订单一致。


简短的英文介绍。
简单来说：
输入电压：4.5-23 V
输出电压：0.925-20 V
输出电流：最高3.5 A
开关频率：固定为340 kHz。
此外还具备过热保护、过流保护等实用功能。

完整数据手册链接。


芯片采用SOP-8封装，底部有一个焊盘，需要焊接到电路板上，以便更好地将芯片的热量散出去。


芯片框图。值得一提的是，它的基准电压相当特别，为0.925 V。
之前有人在评论里问我，为什么转换器的输出电压不能调到低于某个下限。
这正是由基准电压决定的。芯片会比较测量输入端的电压和内部基准电压；如果输入端电压偏高，就会尝试缩窄脉冲宽度来降低电压。反过来也一样，如果输入端电压偏低，就会尝试加宽脉冲宽度来提高电压。
因此，想用简单的方法把输出电压降到基准电压以下是不行的，芯片总会试图把电压抬高，让输入端达到0.925 V（其他芯片则是各自对应的基准电压）。要提高输出电压就没问题，只需用两个电阻搭一个分压器。

这款芯片另一个不太寻常的地方是，输出级不是一个而是两个MOSFET。
这款芯片内置了同步整流器。想必大家在之前的评测中都注意到，芯片旁边总会「蹲着」一颗小（或大）二极管。而这款芯片不需要外接二极管。

这款芯片第三个实用特性是带有SS引脚，也就是软启动。接通电源后，芯片不会立刻启动，而是逐渐加宽脉冲，直到进入稳压状态。这种启动方式适用于「重载」负载，因为突然加上电压可能会让芯片因过流而进入保护模式。


先稍微岔开一下，聊聊同步整流。
很久以前，人们用分立线性稳压器来解决电压稳定问题。后来开始生产集成式稳压器，它们是带有多个引脚的芯片，需要搭配外部元件和大功率晶体管。
再后来，大家熟悉的КРЕН系列芯片出现了，更准确地说，是КР142ЕНхх系列。
它们用起来都很方便，输出纹波小，接线也非常简单，唯一的问题就是发热量很大。不过散热器便宜，也没人特别在意发热。
不过我曾在一篇评测中演示过，如何用КРЕН5（7805）制作高效率转换器。
与此同时，开关稳压器也在不断发展。最初它们也是分立式的（没有专用芯片），而且相当复杂（这在一定程度上限制了它们的应用）。后来，人们开始生产（更多时候是仿制国外产品）集成式PWM稳压芯片。

一个简单的开关稳压器由几个主要部分组成（这里以降压型为例）：
控制器
开关晶体管
二极管
电感
输出电容。

我们重点关注前三项。
大家都知道，双极型晶体管和二极管的结上会有固定的压降。普通二极管的压降较大，肖特基二极管则较小。
这种方案原理上简单又便宜。但后来开始使用MOSFET，这提高了转换器的效率，因为MOSFET可以让开关元件上的压降更低。
效率提高了，但二极管还在，要用晶体管替代它要困难得多。后来这个问题也得到了解决，这款转换器正是这种方案的一个例子。

框图左侧是带外接二极管的普通转换器，右侧则是本篇评测中的转换器。
在转换周期开始时，晶体管导通，电感开始储能。过一段时间后，晶体管关断，电感两端的电压极性反转，电流便通过二极管流向负载。
这款芯片用MOSFET替代了二极管，并将其集成在芯片内部，因此效率更高，转换器也不再需要外接二极管。虽然实际上二极管仍然存在，那就是MOSFET的寄生二极管，不过在这里并不重要。


理论部分就讲到这里，接下来进入实践。
芯片数据手册中给出了两种转换器电路方案，分别使用陶瓷电容和电解电容。
我决定采用第一种方案，也就是使用陶瓷电容，这样做出来会紧凑一些。


芯片数据手册中有一个布线示例，我就照着做了。


我这版的电路板是这样的。


为了这个项目，我在家里找到了几种元件，后来去市场时又买了一个5.2µH电感，结果后来才发现买它纯属多余。这个电感还差不多要1美元，即使在实体店也贵得离谱。


我买这个电感是白花钱了，因为我想把输出电压设为5 V，而从表格来看，这种情况下电感的电感量应该是10µH。
顺便说一下，这张表里还列出了几种固定输出电压对应的分压电阻值。
我用的是稍有不同的阻值，选自E24标准系列：下臂电阻9.1 kΩ，上臂电阻39 kΩ。按计算，上臂电阻应该是40 kΩ，不过我不需要特别精确的电压，所以就这么凑合了。


之后就开始组装了。
由于芯片需要通过底部焊盘焊接到电路板的铺铜区上，我一开始按照片里的方法操作：
1. 在芯片下面涂了一点焊锡。
2. 加热铺铜区，把芯片放到位，再次加热，同时用镊子按住芯片。
3. 试着把芯片撬起来，确认芯片底部确实焊好了，然后焊接其余引脚。
4. 清洗电路板，然后安装其余元件。
当然，用热风枪焊芯片要简单得多，我后来也确实这么做了。不过不是每个人都有热风枪。


最后我做出了这样一块小板。
电感没有焊上去，只是放在这里展示原本的设计思路。其实这块板也可以这样用，不过只适用于较低的输出电压。


我还有一个同款电感，电感量是10µH，但它不合适，因为额定电流更小。原因是电感量增大时，电感的工作电流会下降（尺寸相同的情况下）。5.2µH的电感电流还够用，10µH的就不行了，至少我按其系列规格设计电路板时是这样。

只好在家里翻找各种电感，最后把其中一个重新绕制，以获得所需的电感量。
电感用两根直径0.63 mm的漆包线绕制。


这张照片方便大家了解尺寸，也可以和前两篇评测里的电路板对比一下。


再近一点。


作为测试平台，我使用了和上次相同的一套设备
电源
电子负载
万用表
另一台万用表
示波器
非接触式温度计

但一开机就遇到了麻烦。
转换器启动了，但负载电流达到0.7 A时便进入保护模式，输出电压几乎降到了零。
此外，输出电压也比计算值略低。后来经过几次试验，这颗芯片先是输出了6 V，随后就彻底罢工了 :(
我用热风枪拆下芯片，焊上了一颗新的（这次也是用热风枪），结果还是不工作，输出端没有电压，电流消耗为90 mA。
最后我又拆下第二颗芯片，焊上了第三颗。这次输出电压达到了预期值，芯片也能正常工作了。
第一张照片是第一颗芯片，第二张是第三颗。


第一次测试：测量输出端空载时的电流消耗。
我觉得这不算低，本来以为芯片的电流消耗会更小。
输入电压为10 V时是23 mA，20 V时是28 mA


测试流程：
1. 输出电流1 A，输入电压分别为10、15、20 V
2. 输出电流2 A，输入电压分别为10、15、20 V
3. 输出电流3 A，输入电压分别为10、15、20 V


我就不把所有波形都放出来了，只展示输入电压为20 V时的空载和最大负载状态。
几乎没有纹波，我甚至还检查了探头衰减档是否设在1:1。


测试不同负载电流（1、2、3 A）下的最低输入电压。
此时输出电压约为4.75 V。


我也测试了输出短路保护。
保护工作得很好，但不会进入循环模式，而是处于类似恒流模式的状态。


不过，输出电流方面有点问题。
负载电流达到3 A时，芯片过一会儿就会因封装温度过高而关断。稍微对着芯片吹吹风，一切就正常了。
原因很可能是芯片下方应该设置通孔连接到电路板另一面，而且电路板本身也应该是双面的。我用的却是薄薄的单面板，散热能力实在不够。


不过，这颗芯片本身可以支持最高4.5 A的负载电流，再往上就会触发输出电流限制。
当然，芯片只能短时间输出4～4.5 A，但即便如此，表现也不错。
照片中是输出电流为3.5、4、4.5 A时的输入电流。


当然，我还会测一下转换效率。
厂家给出了输出电压为5 V时的效率曲线。虽然我测的是输入电压10、15、20 V，而不是数据手册中的12和23 V，但我觉得这应该不是什么大问题。


结果嘛，标称的转换效率我始终没测出来。不过在这样的输出电流下，效率倒也算不错。
电流为3 A时，图中给出的芯片温度其实是热保护的触发温度。
此外也能明显看出，输入电压为10 V时的效率显然高于20 V时。
顺便说一句，实验结束后我还想再折腾一下这颗芯片。我用热风枪把它充分加热，然后用镊子使劲压在电路板上。之后热保护触发的频率明显降低了，但它还是带不动3 A；在2.5 A时则能正常工作。


最后来总结一下。
优点
价格低
短路、过载和过热保护工作正常。
过载能力不错
带软启动功能。
输出电压纹波非常低。

缺点
转换效率低于标称值
芯片焊到电路板上后的可靠性情况不明。

我的看法是，这颗芯片有点让我失望，原本还期待它能有更好的表现。当然，我没有完全遵照厂家的要求，没有把热量导到电路板背面。不过更让我失望的还是转换效率，虽然在10～15 V范围内，它比之前测过的样品效率更高。下面简单比较一下电流为2 A时的表现：
左边是本次评测的芯片，右边是TRI1461
10 V——89.7/86
15 V——87.4/86.1
20 V——84.9/86.1

总的来说，电流不超过2.5 A时可以使用；电流不超过2 A时，甚至可以不焊散热片。不过第一个样品出现的故障实在让我很在意，到现在我也没弄明白是怎么回事，甚至有点沮丧。我已经习惯了装好就能正常工作 :)
顺便说一句，从这方面看，带散热片的芯片方便得多：把散热片加热，芯片就焊好了。而这款评测中的芯片要这么操作就很不方便。

希望这些信息能帮到大家。我能说的好像都说了，有问题或建议的话，照例欢迎在评论区留言。