Синхронный преобразователь. Синхронный комбинированный преобразователь. Понижающие преобразователи улучшают КПД

Бродя по зарубежным интернет площадкам мое внимание привлек интересный модуль понижающего преобразователя с заявленными характеристиками: - входное напряжение 6.5-60В, - выходное напряжение 1.25-30В, ток до 10А, КПД до 97%. При заявленных характеристиках на модуле отсутствуют какие - либо радиаторы для охлаждения активных элементов. Основу модуля составляет синхронный понижающий преобразователь LT3800 . Модуль для тестов был любезно предоставлен администрацией сайта Паяльник.
Размер модуля составляет 21 х 75 х 16мм (20мм с учетом высоты дросселя).

Составляет ~4$.

Сборка модуля довольно качественная и не вызывает нареканий.

Принципиальная схема модуля.

После подключения модуля к источнику питания 12В потребление тока модулем составило 200-300 мА на холостом ходу, что меня очень удивило, но покрутив регулятор напряжения модуля ток холостого хода резко упал до 10-20 мА. Данный эффект наблюдается, если регулятором выходное напряжение модуля установить выше, чем входное напряжение. Так что будьте внимательны!
При тестировании модуля наблюдался очень сильный нагрев дросселя (более 100 градусов при нагрузке 40 Вт). Было принято решение заменить дроссель на более мощный(взял из компьютерного блока питания).

Модуль после переделки.

С данной переделкой температура дросселя пришла в норму без критического нагрева.
Экспериментальным путем было выяснено, что модуль уверенно держит нагрузку до 60Вт. Температура ключей и LT3800 составляет 70-80 градусов при постоянной нагрузке 60 Вт на выходе. При превышении нагрузки выше 70 Вт наблюдался резкий очень сильный разогрев верхнего ключа более 150 градусов. Во избежание выхода из строя модуля не рекомендую подключать нагрузку более 60Вт.

Пульсации напряжения (12В) на выходе модуля составляют 80-100 мВ при отсутствии нагрузки. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 20 Вт (12В 1,7А) пульсации напряжения немного увеличились до 200мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 40 Вт (12В 3,4А) пульсации напряжения составили 240мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 60 Вт (12В 5А) пульсации напряжения увеличились до 260мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 50 Вт (5В 10А) в режиме стабилизации тока пульсации напряжения составили 340мВ. Входное напряжение - 28В.

Ситуацию с пульсациями напряжения можно улучшить повесив керамику на выходе модуля 10 мкФ (рекомендуемую в даташите LT3800), которую не предусмотрел производитель модуля.

Модуль держит заявленные 10А на выходе, а при попытке увеличить выходной ток выше 10А модуль переходит в режим стабилизации тока (около 10А). А при полном коротком замыкании модуль уходит в защиту с самовосстановлением работы, после устранения короткого замыкания. Кратковременно данный модуль может выдавать 10А при напряжении 12В (120Вт), но без внешнего охлаждения преобразователь может выйти из строя.

ИТОГ
Модуль соответствует заявленным характеристикам. Правда на этапе испытаний на вход модуля не удалось подать напряжение 60В ввиду отсутствия данного источника питания. Выходное напряжение регулируется в пределах 1.25-30В. Выходной ток 10А (главное не превышать выходную мощность более 60Вт). КПД устройства составило 90-94%(при нагрузке 20-60Вт).
Если Вы планируете использовать модуль с штатным дросселем, то не рекомендуется нагружать модуль более, чем на 40Вт. Если нужна бОльшая мощность, то дроссель необходимо заменить, и приклеить с помощью термоклея радиатор на ключевые элементы.
Модуль можно использовать для сборки регулируемого блока питания мощностью 100Вт, правда необходимо будет добавить обратную связь, для регулировки тока.

К сожалению преобразователи на LT3800 на зарубежных интернет - площадках нелегко найти, так как продавцы нигде не указывают тип примененной микросхемы. Рекомендую в поиске указать - dc-dc step down 10a (15a), и по детальным фото модуля искать модули на основе LT3800.
Кому нужен модуль большей мощности на LT3800, то рекомендую обратить внимание на следующий модуль(dc-dc step down 15a 200W). Он легко выдерживает мощность 100Вт, и слегка чуть теплый. Ток у меня он выдержал аж 20А (предел мультиметра). При таком токе провода прибора мгновенно разогреваются. Стресс с КЗ не рекомендую устраивать на модуле, который ниже, чтобы он не вышел из строя. Судя по комментариям с Ютуба данный модуль выходит из строя при коротком замыкании. Скорее всего китайцы с шунтом 0,07Ом что-то намудрили и защита не работает. Будьте осторожны!

Этого пример является результатом "перепроектирования" проекта, рассмотренного в разделе 3.15.1, демонстрирующего способ включения в источник питания синхронных выпрямителей.

При проектировании синхронного импульсного источника питания следует быть очень внимательным при выборе микросхемы управления. Ради максимизации КПД и минимизации занимаемого пространства средний синхронный контроллер получает много свободы в работе системы, что делает его пригодным только для приложения, указанного поставщиком микросхемы. Многие тонкости работы не могут быть определены без полного прочтения спецификации. Например, всякий раз, когда я пытаюсь разработать синхронный преобразователь и пробую использовать готовые микросхемы, мне приходится выбрасывать три-четыре проекта. Это связано с тем, что я сталкивался с неожиданными функциональными режимами, которые нельзя обойти или модифицировать из-за того, что какую-то функцию нельзя вывести ни на один из контактов. Излишне говорить, что подобные преграды всегда возникают на пути тех, кто хочет сделать что-либо, отличное от простого копирования хорошо отработанных решений.

Конечная схема рассматриваемого преобразователя показана на рис. 4.19.

Спецификация проекта

Диапазон входного напряжения: 0-14 VDC. Выходное напряжение: +5 VDC. Номинальный выходной ток: 2 А. Предел перегрузки по току: 3 А.

Напряжение пульсации на выходе: +30 мВ (двойная амплитуда). Нестабильность на выходе: ± 1%. Максимальная рабочая температура: +40С°

Предпроектные оценки "черного ящика"

Выходная мощность: +5 В ■ 2 А = 10 Вт (максимальная). Входная мощность: P out / оценочный КПД = 10 Вт / 0,9 = 11,1 Вт. Потери на ключе: (11,1 – 10) Вт 0,5 = 0,5 Вт. Потери на ограничивающем диоде: (11,1 – 10) Вт ■ 0,5 = 0,5 Вт.

Средние входные токи

Вход с низким уровнем сигнала: 11,1 Вт / 10 В = 1,11 А.

Вход с высоким уровнем сигнала: 11,1 Вт /14 В = 0,8 А.

Оценочный максимальный ток: 1,4 / ou t(rated) = 1,4 ■ 2,0 А = 2,8 А.

Желаемая частота работы составляет 300 кГц.

Проектирование индуктора (см. раздел 3.5.5)

Наихудшее условия эксплуатации - при высоком входном напряжении.

Здесь: ^ п(тах) - максимально возможное входное напряжение; V oul - выходное напряжение; / ou t(mm) - ток при наименьшей ожидаемой нагрузке; / sw - частота работы.

В качестве индуктора следует выбрать кольцевой сердечник для поверхностного монтажа пластиковой монтажной панели с J-образными выводами. Существуют стандартные индукторы для поверхностного монтажа многих производителей. Выберем модель D03340P-333 от компании Coilcraft с индуктивностью 33 мкГн.

Выбор полевых МОП-транзисторов ключа и синхронного выпрямителя

В качестве ключ должен выступать мощный полевой МОП-транзистор с каналом n-типа и трансформаторной связью. Для экономии места на печатной плате воспользуемся МОП-транзистором с двойным n-каналом в корпусе SO-8. Максимальное входное напряжение составляет 14 VDC, следовательно, приемлемо напряжение F D ss номиналом +30 В или более. Максимальный ток составляет 2,8 А.

Первым шагом в процессе выбора будет определение максимального сопротивления R DS (оп) для требуемых полевых МОП-транзисторов. Находим его путем проверки температурной модели (см. Приложение А):

Желательно также удерживать уровень рассеяния тепла для данного устройства на уровне менее 1 Вт, так что оценка R D S (on) должна быть не меньше, чем:

Выбираем полевой МОП-транзистор с двойным n-каналом FDS6912A с сопротивлением в состоянии проводимости 28 мОм при F G s = 10 В в корпусе SO-8.

Синхронный диод

Параллельно внутреннему диоду полевого МОП-транзистора следует включить диод Шотки с номиналом около 30% от непрерывного номинала синхронного МОП-транзистора. Это даст около 0,66 А при 30 В. Воспользуемся диодом MBRS130. При силе тока 0,66 А этот диод дает падение прямого напряжения 0,35 В.

Альтернативный выбор

Компания Fairchild Semiconductor на момент написания этой книги выпускала диод Шотки,Ю интегрированный с полевым МОП-транзистором, причем этот параллельный диод помещен прямо на кремниевом кристалле транзистора (SyncFET).

SyncFET содержит полевой МОП-транзистор с n-каналом сопротивлением 40 мОм, совмещенный с собственно SyncFET сопротивлением 28 мОм. Этот элемент имеет номер FDS6982S.

Выходной конденсатор (см. раздел 3.6)

Емкость выходного конденсатора определяется по следующей формуле:

Основной "заботой" как для входного, так и для выходного конденсаторов является ток пульсации, входящий в конденсатор. В данном примере ток пульсации идентичен переменному току индуктора. Максимальные пределы для тока индуктора составляют 2,8 А для / реа к и около половины максимального выходного тока, т.е. 1,0 А. Таким образом, ток пульсаций составляет 1,8 А (двойная амплитуда), или оценочное значение RMS составляет 0,6 А (около 1/3 двойной амплитуды пульсаций).

Воспользуемся танталовым конденсатором для поверхностного монтажа, поскольку он обычно показывает всего 10-20% от ESR электролитических конденсаторов. Кроме того, уменьшим номиналы кандидатов на 30% при температуре окружающей среды +85 С.

Лучшие конденсаторы, подходящие для наших целей, изготовляет компания AVX. Они имеют очень низкий уровень ESR и, таким образом, могут работать с очень большими уровнями тока пульсаций. Эти конденсаторы исключительны. Включим параллельно следующих два элемента:

Конденсатор компании AVX:

TPSE107M01R0150- 100 мкФ (20%), 10 В, 150 мОм, 0,894 А™;

TPSE107M01R0125 - 100 мкФ (20%), 10 В, 125 мОм, 0,980 А™.

Конденсатор компании Nichicon: F751A107MD - 100 мкФ (20%), 10 В, 120 мОм, 0,920 Amis-

Конденсаторы входного фильтра (см. разделы В.1 и В.2)

На этот конденсатор поступает волна тока той же формы, что и на ключ: трапецеидальная волна с начальным током около 1 А, повышающегося до 2,8 А, и с очень крутыми фронтами. Конденсатор входного фильтра работает в гораздо более суровых условиях, чем конденсатор выходного фильтра. Оценим значение RMS волны трапецеидальной формы как суперпозицию двух форм: прямоугольной с пиком 1 А и треугольной с пиком 1,8 А. Это дает оценку RMS, равную 1,1 А.

Емкость конденсатора входного фильтра вычислим по формуле:

При больших уровнях напряжения конденсаторы имеют меньшую емкость. Таким образом, это должны быть два конденсатора на 100 мкФ, включенные параллельно. Кандидатами на эту роль являются следующие конденсаторы компании AVX:

TPS107M020R0085 - 100 мкФ (20%), 20 В, 85 мОм, 1,534 А™;

TPS107M020R0200 - 100 мкФ (20%), 20 В, 200 мОм, 1,0 А™.

Выбор микросхемы контроллера (Ш)

Требуемые свойства микросхемы понижающего контроллера:

1. Способность работать напрямую от входного напряжения.

2. Ограничение перегрузки по току (двойная амплитуда).

3. Драйверы с двухтактными выходными каскадами на полевых МОП- транзисторах.

4. Управление задержкой между ключом и МОП-транзисторами синхронного выпрямителя.

На рынке присутствует совсем немного синхронных понижающих контроллеров, не рассчитанных на микропроцессорное применение в локальной стабилизации при напряжениях от +5 до +1,8 В (т. е. V DD = +12 В и V in = +5 В). Имеются также микросхемы, у которых достаточно функций вынесено на выводы, так что их можно без труда приспособить для нужд своего приложения. Я отбросил сразу два изделия двух ведущих калифорнийских компаний (не побейте меня камнями) и нашел лишь одно подошедшее мне изделие: UC3580-3 от компании Unitrode/TI.

Внутреннее опорное напряжение, подаваемое на усилитель ошибки, составляет 2,5 В ± 2,5%.

Установка рабочей частоты (R7, R8 и С8)

Сопротивление R8 заряжает тактирующий конденсатор С8, a R7 разряжает его. Во-первых, необходимо определить максимальный рабочий цикл преобразователя. Поскольку выходное напряжение составляет около 50% самого низкого уровня входного напряжения, выбираем максимальный рабочий цикл 60%. По спецификации получаем:

Макс, рабочий цикл = Л8 / (Л8 + 1,25 R7) или Л8 = 1,875 R7.

Время зарядки составляет 0,6 / 300 кГц или максимум 2 мкс. В таблицах параметров для синхронизирующего конденсатора указано значение 100 пФ, которое достаточно мало и не рассеивает много энергии. Остановимся на нем. Таким образом, сопротивление R8 будет равно:

R8 = 2,0 мкс /100 пФ = 20 кОм;

R1 = 20 кОм / 1,875 = 10,66 кОм (принимаем 12 кОм).

Вольт-секундный ограничитель (R4 и С5)

В выбранной микросхеме реализован метод ограничения прямой связи по максимальной длительности импульса. С повышением входного напряжения ожидаемая рабочая длительность импульсов в понижающем преобразователе уменьшается. RC-осциллятор напрямую соединен со входным напряжением, и его тайм-аут обратно пропорционален входному напряжению. Длительность тайм-аута установлена примерно на 30% больше, чем ожидаемая рабочая длительность импульсов. Если проходной элемент остается проводящим в тот момент, когда вольт-секундный осциллятор находится в состоянии тайм-аута, то проходной элемент запирается.

Выбираем конденсатор С5 тоже емкостью 100 пФ, поскольку частота его тактирования примерно та же, что и у осциллятора. Это дает сопротивление R4, равное примерно 47 кОм.

Установка времени задержки между полевыми МОП-транзисторами

проходного элемента и синхронного выпрямителя

Можно было бы провести расчеты задержек переключения, как это описано в разделе 3.7.2, но на этапе макетирования все равно придется корректировать сопротивление резистора установки задержки (R6). Для нашего приложения подойдет стартовое значение 100 не. Типичная задержка при переходе полевого МОП-транзистора в состояние проводимости составляет около 60 не.

Микросхема производит асимметричную задержку. Исходя из графика в спецификации, сопротивление 100 кОм дает задержку включения проходного элемента примерно 110 не, а задержку выключения - 180 не.

На этапе макетирования это задержки можно уменьшить. Задержки такой длины приводят к тому, что диоды слишком долго проводят ток, приводя с слишком большим потерям.

Проектирование трансформатора управления затвором (Т1)

Трансформатор управления затвором представляет собой очень простой прямоходовый трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. К нему не предъявляется каких-либо экстраординарных требований, поскольку он - очень маломощный трансформатор со связью по переменному току (биполярный магнитный поток), работающий на частоте 300 кГц.

Выбираем ферритовый кольцевой сердечник диаметром около 10 мм, такой как К 5 Т10x2,5×5 (B sat = 3300 Гс) от компании TDK или 266T125-3D3 (B sat = 3800 Гс) от компании Philips.

Как сказано в разделе 3.5.3, количество витков для обеспечения магнитной индукции 1000 Гс (0,1 Тл), или 0,3B sat , составляет:

У трансформатора управления затвором будет бифилярная обмотка, когда два идентичных провода (примерно #30 по AWG) наматываются одновременно равными витками. Для удобства трансформатор будет монтироваться на цоколе для поверхностного монтажа с четырьмя выводами в форме крыла чайки.

Резистор считывания тока (R15) и резисторный делитель считывания

напряжения (R11 и R13)

Микросхема предоставляет только контакт отключения с порогом активации минимум 0,4 В. Введем "икотный" режим защиты от перегрузки по току как форму резервной защиты. Для минимизации размеров резистора считывания тока применим один из вариантов считывающей цепи ограничения по току. Здесь 0,35 В будет внесено резистором резисторного делителя считывания напряжения (R14). Тогда сопротивление R15 будет:

R\5 = 0,05 В / 3 А = 16,6 мОм (принимаем 20 мОм).

Соответствующий резистор от компании Dale имеет номер WSL-2010-.02-05.

Пример считываемый ток, протекающий через резисторный делитель считывания напряжения, равным 1 мА. Это дает суммарное сопротивление R13 и R14 равным

R swn = 2,5 В /1 мА = 2,5 кОм.

В этом случае, R14 = 0,35 В / 1 мА = 350 Ом (принимаем 360 Ом); R13 = = 2,5 кОм – 360 Ом = 2,14 кОм (принимаем 2,15 кОм при допуске1%).

Тогда R11 = (5,0 – 2,5)В /1 мА = 2,5 кОм (принимаем 2,49 кОм при допуске1%).

Компенсация контура обратной связи по напряжению (см. Приложение Б)

Это - прямоходовый преобразователь, работающий в режиме по напряжению. Для обеспечения оптимальной продолжительности переходных процессов воспользуемся методом двух полюсов и двух "нулей" компенсации.

Определение характеристик "схема управления – выход"

Микросхемы продаются лотом из 10 штук, на момент покупки стоили 1.67, сейчас 1.71, но скорее всего была скидка через мобильное приложение.
Кстати, только сегодня заметил, что теперь на странице заказов Али не отображается время, оставшееся до окончания защиты заказа.

Прислали микросхемы в небольшом желтом конвертике, внутри простой пакетик с защелкой, количество сходится с заказанным.

Краткое описание на английском.
Если коротко то:
Входное напряжение - 4.5-23 Вольта
Выходное напряжение - 0.925-20 Вольт
Выходной ток - до 3.5 Ампера
Частота преобразования - фиксированная 340 кГц.
Ну и разные полезные вещи в виде термозащиты, перегрузки по току и т.п.

Но при включении меня ждала неудача.
Преобразователь заработал, но при токе нагрузки 0.7 Ампера входил в режим защиты и снижал выходное напряжение почти до нуля.
Кроме того выходное напряжение было немного ниже расчетного. Ну а после нескольких экспериментов микросхема вообще выдавала сначала 6 Вольт на выходе, а потом отказалась работать совсем:(
Снял микросхему феном, запаял новую (уже при помощи фена), ничего не работает, напряжения на выходе нет, ток потребления 90мА.
В итоге снял и вторую микросхему, запаял третью. С ней выходное напряжение стало как задумывалось и микросхема работала дальше корректно.
Первое фото - первая микросхема, второе - третья.

Первый тест, измерение потребляемого тока без нагрузки на выходе.
Я бы не сказал что мало, ожидал что микросхема будет потреблять меньше.
23мА при 10 Вольт и 28мА при 20 Вольт

Процесс тестирования:
1. Выходной ток 1 Ампер, входное напряжение 10-15-20 вольт
2. Выходной ток 2 Ампера, входное напряжение 10-15-20 вольт
3. Выходной ток 3 Ампера, входное напряжение 10-15-20 вольт

Все осциллограммы приводить не буду, покажу лишь режим холостого хода и максимальной нагрузки при 20 Вольт входном.
Пульсации практически отсутствуют, я даже проверил, стоит ли режим 1:1 у делителя щупа.

Проверка минимального входного напряжения при разных токах нагрузки, 1-2-3 Ампера.
Выходное напряжение при этом около 4.75 Вольта.

Не обошел я вниманием и защиту от короткого замыкания на выходе.
Защита работает отлично, но она не переходит в циклический режим, а находится в режиме, подобному режиму стабилизации тока.

А вот с выходным током небольшая беда.
При токе нагрузки в 3 Ампера микросхема через некоторое время отключается по превышению температуры корпуса. Если немного дуть на микросхему, то все работает отлично.
Причина скорее всего в том, что под микросхемой должны быть переходы на вторую сторону платы, а сама плата должна была быть двухсторонней. Я же использовал тонкую одностороннюю плату и она просто не справлялась с отведением тепла.

Но сама микросхема может работать при токах нагрузки до 4.5 Ампера, дальше срабатывает ограничение выходного тока.
Естественно что ток 4-4.5 Ампера микросхема может выдать кратковременно, но тем ни менее, это хорошо.
На фото входной ток при выходном 3.5-4-4.5 Ампера.

Ну и конечно же я проверю КПД.
Производитель приводит такой график для выходного напряжения 5 Вольт. Правда я проверял при напряжениях 10-15-20 Вольт, а не 12 и 23 как в даташите, но не думаю что это критично.

Ну что можно сказать, заявленного КПД я так и не получил, хотя конечно при таких выходных токах эффективность относительно неплохая.
В качестве температуры микросхемы для токов 3 Ампера приведена температура срабатывания термозащиты.
Кроме того явно видно что при входном 10 Вольт КПД явно выше, чем при 20.
Кстати, уже после экспериментов я решил поиздеваться над микросхемой еще. Дла этого я ее основательно прогрел феном и сильно прижал пинцетом к плате. После этого срабатывание термозащиты стало заметно реже, но все равно 3 Ампера она не вытягивала, при 2.5 работала корректно.

Ну и что же можно сказать в итоге.
Плюсы
Цена
Корректно работающая защита от КЗ, перегрузки и перегрева.
Хорошая перегрузочная способность
Наличие плавного старта.
Очень низкие пульсации выходного напряжения.

Минусы
КПД ниже заявленного
Непонятная ситуация с надежностью при установке микросхем на плату.

Мое мнение. Микросхема немного не оправдала моих надежд, как то ожидал большего. Хотя конечно я не соблюдал все требования производителя и припаял микросхему без вывода тепла на вторую сторону платы. Но все равно меня больше расстроил КПД, хотя в диапазоне 10-15 Вольт он выше чем у прошлых экземпляров, приведу небольшое сравнение при токе 2 Ампера
Слева обозреваемая, справа
10 Вольт - 89,7/86
15 Вольт - 87,4/86.1
20 Вольт - 84.9/86.1

В общем что можно сказать, при токах до 2,5 Ампера использовать можно, а при токах до 2 Ампер можно даже не припаивать теплоотвод. Но очень смущает глюк с первым экземпляром, до сих пор не могу понять, что это было, даже расстроился, как то привык уже что собрал и оно работает:)
Кстати, в этом плане микросхемы с фланцем гораздо удобнее, прогрел фланец, микросхема припаялась, а с обозреваемой такая операция очень неудобна.

Надеюсь что информация будет полезна, рассказал вроде все что мог, а вопросы и пожелания как всегда жду в комментариях.