ШИМ контроллер для DC-DC преобразователя XL4005E1

Продолжение истории об убиенном DC-DC преобразователе, начало тут:
mysku.club/blog/aliexpress/32986.html
Был заказан десяток микросхем для продолжения жестоких экспериментов с получением заявленного тока.

Долетели всего за 3 недели

Содержимое


Итак, имеем:
Преобразователь со сгоревшей микросхемой

Новые микросхемы на замену
www.xlsemi.com/datasheet/XL4005%20datasheet.pdf

Принципиальная схема для медитации

Надо попытаться из всего этого получить что нибудь полезное.
Хронология событий соблюдена :)
Выпаял дохлую микросхему и сравнил с новыми

Оказались довольно похожи.
Запаял новую микросхему, заодно поменял клеммные колодки на более удобные лифтовые. Плата не отмыта и пока без дросселя.

Отмотал 4 витка с родного дросселя, т.к. по расчётам на ток 5А его требуемая индуктивность выходила менее 30мкГн во всём диапазоне входных и выходных напряжений, оставил 30мкГн (изначально было 42мкГн).

Приклеил с обратной стороны малюсенький радиатор 20х20х6мм в надежде хоть немного охладить пыл горячего устройства

Подал на вход 12,5В выставил на выходе 5В и нагрузил на 4A для прогрева. Примерно через 15 минут плата и радиатор очень сильно разогрелись, особенно расстроил нагрев входного конденсатора — свыше 100°С от рядом расположенного диода, в таком режиме он долго не проработает. Дроссель также нагрелся свыше 100°С.
Примерно через час такой работы, напряжение на выходе стало подозрительно снижаться и прыгать, решил понаблюдать чем это закончится (запас микросхем позволяет). Закончилось тепловым пробоем диода Шоттки SK86 :(
pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/mcc/SK83.pdf
Равноценной замены в SMD корпусе под рукой не оказалось и была временно подпаяна диодная сборка S10С40С (10А 40В)

Оба диода сборки соединил перемычкой.
Преобразователь заработал, но нагрузку вообще не держал — напряжение тут-же проваливалось. Стало понятно, что микросхема тоже неисправна. Очевидно, замыкание диода убило микросхему…
В очередной раз перепаял микросхему, при этом обнаружилась ещё одна проблема — фольга печатной платы слабо приклеена к основанию и легко отходит при нагреве :(

Очередное включение, ток выставлен на 4А, начинает дико греться диодная сборка, что не удивительно. Устанавливаю её на первый попавшийся под руку радиатор, чтобы опять не запалить.

Плата работает нормально пару часов :) Температура всех компонентов стала гораздо ниже, входной конденсатор перестал перегреваться, самым горячим элементом оставался дроссель, который действительно рассчитан на ток 3A.
Родное кольцо дросселя T50-26B, обмотка проводом всего 0,7мм
Беру ещё парочку колец побольше размером из такого-же материала (распылённое железо -26) и мотаю на 30-33мкГн.
Сразу замечу, что материал неудачен для работы на частотах свыше 100кГц из-за повышенных потерь в сердечнике. На требуемой частоте 300кГц лучше работают кольца из распылённого железа -52 (слева) либо из композитного материала (справа). В дальнейшем обязательно попробую их поставить.

Все 3 дросселя, родной слева.
T50-26B 30мкГн (27 витков 0,7мм, изначально был 31 виток)
T60-26 30мкГн (25 витков 0,9мм)
T80-26 33мкГн (25 витков 1,1мм)

Ставлю дроссель T60-26 30мкГн

На токе 4А сильного нагрева дросселя уже нет, преобразователь работает нормально.
Для выяснения наличия работающей внутренней термозащиты микросхемы, выставил выходной ток 2А и коснулся разогретым паяльником непосредственно до её металлической подложки. Через пару секунд микросхема полностью отрубилась. Убрал паяльник — через 3 секунды микросхема опять заработала. Так успешно повторил несколько раз. Вывод — термозащита работает, но видимо не на всех микросхемах или не во всех режимах.

Далее, был изготовлен и установлен более-менее нормальный радиатор на всё это безобразие. Радиатор — половинка от древнего процессорного кулера.

К плате прилепил на термоскотч. Если будет недостаточно, приклею на теплопроводящий клей

Диодную сборку отавил ту-же и прикрутил к радиатору через изолятор, чтобы не выносить ВЧ импульсы на него.



Ради эксперимента, попробовал поставить дроссель T80-26 33мкГн, но он оказался с огромным запасом по мощности и почти не грелся, смысла его оставлять не было, поставил назад T60-26 30мкГн

После переделок, с установленным радиатором и увеличенным дросселем проверил температуры основных компонентов (пирометром), КПД и пульсации в разных режимах работы.
5В 1А
Радиатор и диод 35°С
ШИМ контроллер 36°С
Дроссель 39°С
Шунт 33°С
КПД 88%

5В 2А
Радиатор и диод 39°С
ШИМ контроллер 42°С
Дроссель 44°С
Шунт 42°С
КПД 86 %

2В 3А
Радиатор и диод 47°С
ШИМ контроллер 51°С
Дроссель 51°С
Шунт 55°С
КПД 78%

5В 3А
Радиатор и диод 46°С
ШИМ контроллер 51°С
Дроссель 52°С
Шунт 55°С
КПД 85%

10В 3А
Радиатор и диод 45°С
ШИМ контроллер 57°С
Дроссель 51°С
Шунт 57°С
КПД 90%

5В 4А
Радиатор и диод 57°С
ШИМ контроллер 68°С
Дроссель 64°С
Шунт 73°С (реально еще выше)
КПД 82%

5В 5А
Радиатор и диод 67°С
ШИМ контроллер 81°С
Дроссель 79°С
Шунт 96°С (реально еще выше) — перегрев налицо.
КПД 78%

Размах пульсаций на выходе при максимальном токе 5А — всего 30мВ.

Это заслуга высокой частоты преобразования 300кГц и керамического конденсатора на выходе.
На рабочих токах более 4А очень желательна замена шунта на 0,025-0,03Ом, что снизит его нагрев и повысит КПД преобразования.
Либо можно обойтись улучшением теплосьёма с шунта при помощи толстого медного проводника:

На токе 5А температура шунта снизилась до безопасной величины.

Для снижения нагрева дросселя попробовал заменить кольцо из распылённого железа -26 на композитное высокочастотное T60 с материнской платы (материал неизвестен), провод 0,9мм 23 витка, индуктивность 18мкГн

Нагрев дросселя заметно снизился — его и оставил.

Добавил резистор 330 Ом последовательно в цепи обратной связи, чтобы токоограничение работало при минимальном выходном напряжении.



Окончательный вариант схемы получился такой:

Ради интереса, проверил форму напряжения на диоде при разном выходном напряжении, но одинаковом токе 1А
1В

3В

5В

8В

10В

12В


Примечательно, что ток нагрузки почти не меняет форму напряжения на диоде, поэтому нет смысла её показывать.
Переделанная плата успешно отработала сутки в режиме 5В 5А без заметной деградации и дрейфа параметров и настроек.

Дополнительно проверил работу схемы при входном напряжении 24V на выходном токе 5А при разных выходных напряжениях — проблем с перегревом и перегрузкой не обнаружено несмотря на выходную мощность до 110Вт (22В 5А).

Итоговые выводы:
— Без переделки и дополнительного охлаждения, плата безопасно вытянет максимум 2,5А-3А
— Штатный диод перегревается сильнее всех элементов и подогревает рядом расположенный конденсатор и микросхему, поэтому вынос его на радиатор очень помогает выжать из платы обещанные амперы.
— Хоть микросхема по спецификации и тянет 5A, но получить их надо ещё постараться.
— Охлаждение элементов радиатором через плату неэффективно, но вполне возможно.
— Отремонтировать и улучшить можно что угодно, но иногда это нецелесообразно.