电压转换器＋设计精巧的控制模块

不久前，我在淘宝上看到一套挺有意思的东西。严格来说，与其说是一套，不如说是一块转换器控制板，因为它也单独出售。好奇心占了上风，我决定买来试试；此外，这件事还和卖家之间发生了一段挺有意思的故事。总之，详情还是看评测吧。


我很喜欢转换器，部分原因是我用过的转换器已经很多了。这次碰到一个以前没见过、但让我很感兴趣的型号。吸引我的不只是商品介绍——介绍本身相当简略——还有卖家发布的工作演示视频。运行很快，外观也不错，屏幕比各种DPS都大，不过一如既往地“有个小问题”：全是中文。
总之，我给卖家发了消息，他几乎马上就回复了。我是这么问的：朋友，我看到你这儿有个很棒的设备，只有一个问题，我也想要一个，不过要带珍珠母贝纽扣英文菜单的。起初卖家说，大概不行，这本来只是他的爱好，在淘宝上卖东西只是顺带。我心想，哇，太棒了！就告诉他我也做类似的东西，让他试试看，说不定能成，我相信你！
最后，卖家——我猜也是开发者——利用两个空闲的晚上把整个菜单翻译成了英文，而且还录了视频演示。唯一遗憾的是，他说中文标注更短，换成英文后就不太放得下了 :(


我告诉他这样就可以了，太好了。我还说我不会自己下单，而是通过代购，于是我们约好下单时我会写上“暗号”——for kirichblog，他就会寄出需要的版本。之后一切都很顺利：代购下单，卖家发货，过了一段时间我收到了货，现在就来分享一下使用感受。

包装很普通，防静电袋加普通塑料袋。袋子有两个，因为实际上这是两个不同的商品：转换器和控制板。不过我当然先向卖家确认了兼容性，以免之后出什么岔子。


全套东西的样子：转换器、控制板，以及用于连接它们的导线。


先从转换器说起。这是一块小巧整洁的电路板，价格略高于5美元，寄到代购处的运费另加3美元，不过这是两件商品一起寄的费用——链接。
参数如下（部分内容是谷歌翻译）：
输入电压：12–50 V，推荐36–45 V
输出电压：0–30 V（前提是输入电压高于所需输出电压）
输出电流：0–7.5 A
拓扑结构：Buck
开关频率：58 kHz
电流/电压调节输入：0–5 V。
独立过流保护：如果电流超过设定值的2.3倍以上，保护电路应在不超过0.1 µs内关断。
软启动功能
输出初始偏移：-0.5 V
输出纹波：<50 mV pp（输入36 V，输出30 V，7 A）
输出噪声：<80 mV pp；测试条件：0.5 m双绞线，带宽20 MHz
100 Hz正弦波传输系数：小于1/10000
输入变化引起的输出电压变化：输入DC20V–50V、输出15V3A时小于1%
负载变化引起的输出电压变化：输入直流36 V，输出30 V，负载从空载变为6 A时小于10 mV
恒流稳定度：小于1.5% + 8 mA
典型效率：
输入36 V，输出30 V、7.0 A：96%
输入36 V，输出12 V、7.0 A：90%
恒压模式下的恒流响应速度：小于0.7 ms。测试条件：输入电压20 V，输出设定为6 V、5 A；负载为1 Ω电阻，切换负载至稳定状态所需时间。
恒流模式下的恒压响应速度：小于0.4 ms。测试条件：输入电压20 V，输出调节为6 V、5 A；负载电阻为1 Ω，负载断开后，瞬时功率过冲等效于计算时间。
尺寸：长×宽×高6.8 cm × 5.5 cm × 5.3 cm


连接线应该是接到控制板上的，不过接口很多，为了避免弄混，卖家先把它们接到了转换器板上。控制板通过一个宽接口连接，红线和黑线是控制板的电源线。
这些线碍事，我只好暂时拔掉。为了避免弄混，我用记号笔给接口做了标记。


转换器也可以完全独立使用，实际上它最初就是按这种方式设计的，所以喜欢“旋钮”的人也可以这样用。图片来自商品页面。


输入端有两个不错的接线端子，可以牢靠地固定导线。不过我不太喜欢这个分流器，后面还会再说到它。
电容为470 µF、50 V，输入端一个，输出端两个。我建议换成品牌更可靠、质量更好的电容。


转换器结构简单，采用经典的TL494，板上还塞了一颗LM358运算放大器。 不过真正让我喜欢的不是这个，而是漂亮的走线，元器件几乎塞得满满当当，真不错。
还有个小惊喜：板上装了两个LED，用来显示CC/CV模式。DPS/DPH板上一直缺少这个功能。当然，这些状态也会显示在屏幕上，但实际使用中，有些情况下一个普通LED要方便得多。


电感相对较小，不过转换器的功率也只有约250 W。功率器件装在散热器上，我没把它拆下来，因为它焊在电路板上了；不过板上已经标明了器件型号：
场效应管：P55NF06
二极管阵列：2560CT
双极型晶体管：H669。

关键区别在于这里用的是N沟道晶体管，而且板上没有高侧驱动芯片，所以驱动电路很可能是用分立元件搭出来的。不是说我不知道不用芯片该怎么做，我自己也做过不少这样的驱动电路，只是总觉得有点不习惯。
第二个晶体管没有固定在散热器上，不过要装上去也很容易。两个晶体管的金属法兰在电路中是相连的，因此不需要与散热器绝缘。这个晶体管用于给PWM控制器和其他电路供电的9 V稳压器。


背面一如既往，有些助焊剂，焊接也不算太漂亮，不过其他方面都还不错。


控制板，这块板当然贵得多，大约32美元——链接。
商品页面上的简要参数：
调节范围：0–30 V，0–7.5 A（最大32 V，8 A）
设定精度：0.003（取决于校准和使用条件，实际控制误差小于此值）
测量精度：0.002


控制部件包括两个按键和一个按压式编码器。


显示屏没有用螺丝固定，下面只有几颗钽电容。


其他元器件都装在电路板背面，数量还不少。


模拟部分包括两个运算放大器和一个负电源生成电路，运放采用双电源供电。


整个系统由一颗32位微控制器STM32F103RGT6控制，最高工作频率为72 MHz，片上集成了许多实用功能，包括3个12位ADC和2个DAC。
旁边还有一颗锂电池，它的用途我一直没弄明白。不过让我高兴的是，开发者不仅用了带有（相对而言）不错的DAC/ADC的控制器，似乎还另外加了两颗独立ADC！它们就在微控制器右侧。

后来我问了卖家这颗电池的用途，他回答说是用来保存数据的（我理解是Ah和Wh数据）。我当然问了：存到非易失性存储器里不是更简单吗？他回答说那种存储器的擦写次数有限，这样可靠性更高。哦！


微控制器还集成了COM和USB接口，不过卖家说目前还没有用上，至少暂时如此。


连接时有个小麻烦：控制板需要单独供电，而且必须与主电源进行电气隔离。供电电压为12 V，负极与功率板输出负极相连，所以不能从共用输入端供电；除此之外，功率板的供电电压显然也高于12 V。
不过这也有一点小优势：可以接一个36–12 V转换器，再从它的输出端接一个12–5 V稳压器，这样就能多出一路输出电压。

我把它接到两个电源上，一下就启动了。


工作界面和控制菜单。
这就是我一开始喜欢它的地方：屏幕大，数字清晰。和DPS相比，眼睛舒服多了。
1. 主界面显示：
顶部状态栏：风扇开关、跟踪模式、控制锁定
当前电压/电流/功率
设定电压/电流
Ah/Wh计数器——数值会被保存。
工作模式和输出状态。
从接通电源起经过的时间、输出启用时间、保护模式以及电路板温度。

2. 按下编码器（或者按键，后面会说到）后，会显示可快速选择的输出电压/电流选项，确实很方便。
3. 按下“菜单”进入设置。
4. Mode Set——电流截止工作模式：普通CC模式或触发模式。
5. 触发模式可以设置相对于当前设定值的过载阈值，以及重新启动时间。
6. 双击编码器即可保存设置，同时会显示一段可爱的动画。按下“菜单”键则直接返回。


1. 菜单中的Switch用于在两种模式间切换：普通电源和充电器。
2. 确认后会返回主界面，界面现在已经变了。
3. 再次进入菜单，第一个图标的样式变了，现在这里可以设置充电器的工作模式。
4. 有两种固定模式和自动选择模式，可用于给锂电池或铅酸电池充电。
5、6. 设置充电电压和电流，左边是锂电池的默认设置，右边是铅酸电池的设置。

遗憾的是，这个模式目前还在开发中。卖家说等“完善”之后会提供新固件。不过我觉得这个想法挺实用。


设置菜单。
1. 这里有两个页面，第一个页面包含基本设置、校准、界面外观和限值设置。
2. 第二个页面可以控制风扇、清除存储数据、恢复默认设置，以及查看开发者信息。
3. 主菜单中可以设置：
自动锁定
控制模式：可以更改控制按键的布局，共有四种方案。我觉得第一种和第三种最方便。第一种方案中，按下编码器可进入预设值，按住编码器旋转即可切换电流/电压。第三种方案中，短按退出键可进入预设值，按下编码器可切换电流/电压，按住编码器旋转则可切换步进值。总之也挺有创意。
开启/关闭“蜂鸣器”
屏幕读数的刷新速度，共有十档。我没专门计时，大约每秒刷新1到6～7次。
Follow——跟踪模式，后面会介绍。
4. 校准。要进入校准界面，需要旋转编码器，直到方块重合，这是为了防止误操作。
5. 外观选项，可以开启边框、选择颜色等。
6. 可以设置电压/电流上限。我还希望能设置功率上限，卖家那里有这样的版本，之后得跟他聊聊，看能不能加上。最大可设为32 V、8 A。


1. 风扇设置。可以设为持续运行，也可以设置启动温度。温度降到阈值以下5度时，风扇关闭。输出开启时，屏幕上会显示风扇图标。
2. 清除累计的容量数据，单位为Ah和Wh。
3. 保存数据，这项我还没完全弄明白，得再研究一下。
4. 软件信息。包括固件发布日期、版本，以及运行时间计数器，单位是分钟。据我理解，这个计数器不会清零。


有几种不同的外观：两种无边框样式和两种带边框样式。“方块”样式是默认的，另外还有一种“圆角”样式。菜单里也可以更改背景颜色。


右下角显示输出状态和当前模式。
1. CV——恒压
2. CC——恒流
3. ER——尝试将输出电压设定为高于输入电压，据我理解是这样。
4. 这是触发保护的动作过程。我把过载阈值设为0%，输出短路时设备会关闭，并显示一个倒计时窗口（时间可以设置），之后重新开启输出。如果过载情况没有排除，就会继续重复这个循环。


当然还要做测试。
输出电压设定是否准确。
1. 输出未启用时，输出端子上有一个很小的负电压。
2. 启用输出并将输出电压设为0时，实际电压几乎为0。
3-9. 电压较低时（大约低于1 V）读数略低，之后逐渐吻合；直到约30～31 V，设定值都非常准确，但在量程最上端略有偏高。


电流的情况稍差一些。
1、2. 输出启用且电流设为0时，输出处于CC模式，电压为负，电流约为-1 mA。
3-9. 整个量程内的输出电流都比设定值略低。内置电流表显示的读数也一样，只有在量程最末端例外：实际电流同样偏低，但电流表却显示得更高。


最后几项测试花了很长时间，主要是因为我拍摄各个阶段时采用的步进比上面展示的细得多；另外，相机闪光灯又像往常一样过热了，只能等很久。不过快结束时，我注意到功率板发热相当明显。发热最严重的是分流电阻，但热像仪看不到它；倒是能看到电感升到了68度，晶体管升到了75度。 虽然还算能接受，分流器发热归发热，读数倒是没有漂移。


不管怎样，我还是很好奇分流器上到底消耗了多少功率，于是决定算一下。
分流器的电阻为27.9 mΩ，电流为8 A时，其两端压降为223 mV，耗散功率为1.78 W。依我看，这已经有点勉强了，因为分流器采用绕线结构，表面积较小。


前面我提到过一个名为Follow的选项，就问了卖家这是什么。他回答说这是电压跟踪功能，可以让某些东西更精确，具体是什么我还是没弄明白，于是决定自己测试一下。
进入菜单并开启该功能后，屏幕右上角会显示对应的图标。

没错，这个功能确实有点作用，但说实话，我原本期待的不是这样。比如我的电子负载也有类似功能：DAC根据校准值通过PWM设定一个电压，然后用自己的电流表进行测量，如果电流与设定值有偏差，就稍微调整一下。这算是一种“实时”校正。
我在这里做了对比，发现无论是关闭该功能（左图）还是开启该功能（右图），实际输出电压都没有变化，变化的只有显示值。挺可惜的，因为控制器的电压表和电流表校准得几乎和我的Unit一样，完全可以据此进行校正。如果把电路板切换到CV模式，也就是让电压“跑偏”，它还是会继续比实际值“低”一点。


另外我还注意到，CC模式下的电流会稍微受输入电压影响。影响不大，但确实有差异：上图输入电压为35 V，下图为45 V。


我测试了不同负载下的电压稳定精度，分别设置3.3、12和24 V三种电压，以及55 mA（实际上几乎空载）、4和7.9 A三种电流。几乎所有情况下，最大偏差都只有20 mV，表现相当不错。电压是在接线端子的螺丝上测量的。


效率测试使用了两台电源、一个电子负载和一台万用表。万用表测量的是转换器输入端的电流。实际上效率还要稍高一些，因为电路板输入端的电压略低。


测试结果。


测试过程中还发现，输入电压为36 V、负载电流超过4.5 A时，电路板无法输出32 V，会提示电压不足；但输出31 V时，即使电流达到8 A也没问题。输入电压为45 V时则一切正常。
这说明36 V确实有点捉襟见肘，最好使用输出电压接近40 V的电源。


再把示波器接入这套装置，看看输出端的情况。
这里也在不同模式下做了很多测试，不过我把输入电压设为40 V。


输出电压分别为3.3 V（左图）和12 V（右图），负载电流为1、4和7.9 A。
电路板没能达到标称的50–80 mV峰峰值纹波，我测得3.3 V时最高达100 mV，12 V时最高达140–150 mV。


输出电压分别为24 V（左图）和30 V（右图），电流为1和7.9 A。
整体情况差不多，不过输出为30 V时，纹波幅度明显小一些。


1、2. 空载时的纹波，输出电压为3.3 V。
3、4. 你应该注意到了，最大电流时的波形上有“尖峰”吧？一开始我把波形放大看了看，似乎是某种谐振现象；后来我直接握住示波器探头，尖峰就减小了一半（右图）。我怀疑测量误差有相当一部分是因为所有设备都接在市电上，可能产生了接地环路和相互干扰。


前面可以看到，电路板上预留了USB接口的位置，另外还有一个标着RX/TX的接口。我和卖家聊了聊，他同时也是控制板的开发者，得知这块板子已经有了一个测试版软件，不过目前只有中文版，而且功能非常简化。我顺便请他以后别只写中文，也加上英文。


此外，卖家还向我推荐了一款成品设备，他的店铺页面上并没有出售。我不记得价格了，好像是75美元左右，如果没记错的话，具体还得问问。外观很棒，我本来甚至想买一台，可它重达1.5 kg，运费会因此贵不少。
不过外观确实很出色，铝合金外壳，还有铣削加工。 照片质量不太好，不过卖家视频里有这个模块，可以在商品页面查看。


现在照例来总结一下。
我试过很多种不同的转换器电路板，包括ZXY、DPS/DPH，以及相对较新的DPX，当然还有各种小玩意儿。可以说，这次评测的电路板在硬件水平上远胜于上面列出的所有产品。
先不谈转换器电路板本身，因为它也可能有所不同，下面说说几个关键点。
1. 屏幕大，显示清晰
2. 电路设计相当合理
3. 操作简单方便。
4. 设置同样简单，同时也很方便、灵活
5. 可控制风扇
6. 设定精度不错，测量精度高。
7. 限流模式不只有CC，还有可调节的触发模式。

但重点不止于此，项目还在持续开发，而且卖家（同时也是开发者）愿意沟通。比如应我的请求，他就把菜单翻译成了英文。
此外，预计还会加入电池充电功能，这是其他转换器电路板所没有的。

接下来我打算给开发者整理一份愿望清单，列出软件还可以增加哪些功能。
1. 最大功率限制功能，但不要像DPS/DPH那样，而要像ZXY一样，也就是不关闭输出。
2. 风扇转速调节。
3. 使用外部温度传感器进行过热保护。
4. 根据测量值校正输出电压。

希望电流和电压的调节范围都能更大。我不觉得通过软件实现有多难；硬件方面则可以直接换用功率更大的转换器，甚至干脆直接控制开关电源，不经过中间转换。

我觉得也有两个缺点：
1. 价格。毕竟30美元还不包括运费，算不上便宜，而且这还只是控制器的价格。
2. 需要另配一个与主电源电气隔离的电源。成本不高，只是用起来不太方便。


我的评测就到这里，希望这篇文章对你有帮助，也欢迎提出问题和对项目发展的建议。