Понижающий преобразователь на чипе TPS54560 с широким диапазоном входного напряжения 5,5-60 вольт.

Компактный модуль с неплохими заявленными характеристиками (напряжение до 60 вольт, ток до 5 ампер). Купил на пробу, чтобы проверить, на что он способен в реальности, фото и краткие результаты тестов под катом.

Характеристики со страницы товара:

Тип: Импульсный понижающий преобразователь
Входное напряжение: 5,5 В-60 В постоянного тока
Выходное напряжение: 3,3/5/9/12/15/24 В постоянного тока/регулируемое
Выходной ток: 5 A (макс.)
Разница между входным и выходным напряжением: более 2 вольт
Ток потребления: 1 мA
Пульсации на выходе: менее 25 мВ
Эффективность преобразования: 90% (Vin=12В, Vout=5В 1A)
Частота переключения: 600 кГц
Рабочая температура: -25° C ~125° C
Защитные функции: Нет защиты

Есть даже чертёж платы:

Платка приехала ко мне в обычном почтовом пакете, замотанная в несколько слоёв пупырки. Фото пупырки сделать забыл, товарищ Xi расстроен, минус социальный рейтинг.

Внешний вид (для увеличения можно нажать на фото):

Размеры 40,3(Д)х20,0(Ш)х5,4(В) мм. Крепежных отверстий под винты не предусмотрено. Плата аккуратная, чистая, флюс отмыт, хотя под деталями видны остатки. Кроме ШИМ-контроллера на плате есть диод Шоттки, силовой дроссель, входные и выходные конденсаторы, группа резисторов делителя обратной связи для выбора нужного напряжения и красный индикаторный светодиод.

Суммарная ёмкость конденсаторов на входе — 130 мкФ, на выходе — 290 мкФ, измерял мультиметром прямо на плате. Хотя подозреваю, что такой способ измерения не совсем корректен и может давать большую погрешность, так как мне раньше не попадалась высоковольтная керамика такой ёмкости в этом типоразмере.

Преобразователь построен на базе ШИМ-контроллера TPS54560 со встроенным силовым N-канальным полевым транзистором. Микросхема в корпусе HSOP-8, в основании есть теплоотвод, припаянный к плате, электрически соединён с землёй.

Техасские инструменты в даташите обещают высокую эффективность при малых нагрузках, выходной ток до 5 ампер (это мы позже проверим), возможность работы с малым падением между входом и выходом, защиту от перегрузки, перегрева, перенапряжения на выходе и ряд других полезных особенностей.

Диод Шоттки SB10100L на 100 вольт 10 ампер, корпус TO-277 — даташит.

По входу установлен TVS-диод SMBJ60CA (даташит) для защиты от импульсных перенапряжений, должен повысить живучесть платки при использовании, например, в автомобиле. Диод установлен биполярный, что кажется мне немного странным решением. Защиты от переполюсовки по входу нет, платка наверняка способна выдержать напряжение обратной полярности от маломощного источника, но что-нибудь типа автомобильного аккумулятора легко превратит её в суровый челябинский светодиод.

Для выбора выходного напряжения нужно замкнуть соответствующую пару контактов, остальные должны быть разомкнуты. Можно задать нестандартное напряжение в диапазоне от 0,8 В до входного, для этого припаиваем резистор к выводам ADJ, номинал рассчитывается по формуле R=10000*(Vout-0.8V)/0.8V. Можно впаять подстроечник, но делать это я не советую, потому что это резистор верхнего плеча делителя и при его обрыве на выходе будет максимальное напряжение. 

Есть вход EN (Enable), для отключения преобразователя нужно замкнуть его на землю. Также этот контакт удобно использовать для организации защиты от переразряда при питании от аккумуляторов, пороговое напряжение компаратора 1,2 В.
На обратной стороне деталей нет, переходные отверстия под чипом ШИМ-контроллера не закрыты маской, при желании к ним можно припаять радиатор.

Зарисовал схему преобразователя:

Переходим к испытаниям, для этого собрал небольшой тестовый стенд из блока питания и электронной нагрузки.

Ток собственного потребления платы без подключенной нагрузки 0,3 мА при входном 24 В и около 0,5 мА при 12 В; даташит обещает 0,15 мА независимо от входного напряжения, но тут у нас есть дополнительная нагрузка в виде светодиода на выходе. Если замкнуть вход EN на землю, ток падает до 2 мкА.

Вначале я пробовал тестировать преобразователь «как есть», без дополнительного охлаждения, но при больших токах платка стала быстро уходить в защиту по перегреву. 

Термофото, входное напряжение 12 вольт, выходное 5 (все фото здесь и далее сделаны после стабилизации температуры, указаны температуры диода и микросхемы ШИМ-контроллера):

Уже при нагрузке в 3 ампера нагрев довольно сильный, при пяти буквально через несколько секунд срабатывает термозащита и преобразователь начинает отключать выход. Порог срабатывания по показаниям тепловизора примерно 155°-160° С на корпусе контроллера, при этом по даташиту максимально допустимая температура кристалла в разделе Absolute Maximum Ratings составляет 150°  ¯\_(ツ)_/¯

Вход 24, выход 12 В:

На 4 амперах уходит в защиту.

Вход 60 вольт, выход 12:

Пришлось колхозить дополнительное охлаждение, приклеил плату на радиатор через термопрокладку:

И поставил вентилятор для обдува.

В результате получаем заявленные 5 ампер:

Но при большой разнице вход-выход даже с обдувом безопасно можно снимать только 3 ампера:

В общем-то, ничего неожиданного в полученных результатах нет; если прочитать даташит дальше первой страницы, можно найти графики областей безопасной работы, по которым максимальный выходной ток в худшем случае равен всего 1,5 А.

Попутно рассчитал КПД для выходного напряжения 12 вольт:

И 5 вольт:

Можно сравнить с графиками референсной схемы из даташита:

Видно, что при большой разнице между входом и выходом потери на преобразование ощутимо растут, соответственно КПД снижается. Показатели референсной платы заметно выше, но там другая рабочая частота и индуктивность дросселя, поэтому нельзя однозначно утверждать что микросхема поддельная. Также можно отметить что КПД зависит от температуры, при прогреве ШИМ-контроллера на 100° он снижается на 1-2%, сказывается рост Rdson силового транзистора.

Шум и пульсации замерялись щупом с пружинкой непосредственно на выходных контактах платы, без дополнительных фильтров.

Без нагрузки преобразователь работает в «экономичном» режиме, пропуская часть импульсов, на осциллограмме видна характерная «пила».

Входное напряжение 12 вольт, выходное 5, ток 1 и 5 ампер:

Даже при максимальной нагрузке уровень пульсаций остаётся невысоким, на медленных развёртках также всё чисто. По осциллограммам можно увидеть что преобразователь работает на частоте чуть больше 600 кГц.

1 и 5 ампер при входном напряжении 60 вольт:

При других сочетаниях входного и выходного напряжения уровень пульсаций также низкий, скриншоты делать не стал.

Переходной процесс на выходе при броске тока нагрузки с 0,5 А до 5 А и обратно (10%-100%):

Плата без проблем выдерживает перегрузку и короткое замыкание по выходу, при токе 5,5-6 А выходное напряжение начинает снижаться, при дальнейшем увеличении нагрузки контроллер ограничивает ток на уровне около 7 ампер, при этом сильно греется диод.

Реакция на КЗ в нагрузке, на первом канале напряжение, на втором выходной ток:

Одна из интересных особенностей контроллера — возможность работы с минимальной разницей между входом и выходом на малых токах. Например, при 5 В 0,5 А на выходе я получил минимальное падение меньше 100 мВ, при 0,2 А меньше 50 мВ. Пульсации в таком режиме возрастают.

Стабильность выходного напряжения хорошая; я не проверял все варианты выходного напряжения, но например при 3,3 В на выходе отклонение во всём диапазоне нагрузок составило +3/-20 мВ, при 5 В +17/-14 мВ, это даже чуть лучше чем показатели референсной платы из даташита.

Что можно сказать в итоге, неплохой модуль с широким диапазоном входного напряжения, компактный, аккуратно сделан, небольшой уровень шума и пульсаций на выходе, есть защита от перегрузки, перегрева и КЗ. Конечно, заявленный выходной ток завышен, а КПД оставляет желать лучшего. Без дополнительного охлаждения, при небольшой разнице напряжений можно рассчитывать на 2-3 ампера, при большой максимум 1-1,5. С охлаждением можно получить больше, но 5 ампер для такой платки явно многовато. Отдельно можно отметить что модуль успешно выдержал все мои издевательства, и волшебный белый дым из микросхемы так и не вышел.

На Али этот модуль есть и в другом магазине, иногда там ниже ценник, проверяйте перед покупкой.

Кстати, мне попадались разные варианты таких преобразователей.

Практически клон обозреваемой платки, возможно более ранняя версия:

А тут плата чуть побольше и на радиаторе:

На этом всё, надеюсь, кому-то было полезно.