FR9888 или микросхема синхронного StepDown преобразователя

Данный обзор является продолжением экспериментов с понижающими преобразователями напряжения. Попутно в этом обзоре я немного расскажу о том, что такое преобразователь с синхронным выпрямлением.


Вообще тема всяких преобразователей была начата мною давно, но поводом для покупки данных микросхем стал недавний обзор мелкой микросхемы для StepDown преобразователя, в комментариях к которому мне и предложили еще варианты.
Для начала ссылки на предыдущие два обзора.
TRI1461
MP2359DJ

Ну и несколько ссылок на мои обзоры микросхем и преобразователей.
PT4115E
AMC7135
Набор дросселей CDRH104R
LTC4054
регулируемый DC-DC преобразователь
SC6038
MC34063
ICL7660
DC-DC преобразователь
Пара Step-Up конвертеров и их небольшой апгрейд до SEPIC
Универсальный преобразователь напряжения или пару слов от том, что такое SEPIC
Многоканальный DC-DC преобразователь
ZXY6020S
ZXY6005S
преобразователь на базе LTC3780
DC-DC Step Down модуль с заявленным током в 10 Ампер

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.

Ссылка на полный даташит.


Микросхема в корпусе SOP-8, снизу расположена площадка для припаивания к плате, это необходимо для улучшения отвода тепла от кристалла микросхемы.


Блок схема микросхемы. Стоит отметить весьма необычное опорное напряжение в 0.925 Вольта.
В комментариях меня как то спрашивали, а почему у преобразователя нельзя выставить выходное напряжение меньше определенного минимума.
Вот как раз опорное напряжение и определяет этот параметр. Микросхема сравнивает напряжение на измерительном входе и свое опорное и если на входе напряжение выше, то пытается уменьшить ширину импульсов чтобы снизить это напряжение. Аналогично и наоборот, если напряжение на входе ниже, то пытается увеличить ширину импульсов чтобы поднять напряжение.
Потому простыми способами уменьшить выходное напряжение ниже опорного не получится, микросхема всегда будет пытаться поднять напряжение так, чтобы на входе были эти 0.925 В (ну или соответствующее для других микросхем), увеличить же проблем нет, просто ставим делитель из пары резисторов.

Второе что непривычно в данной микросхеме, это не один, а два полевых транзистора на выходе.
Данная микросхема имеет встроенный синхронный выпрямитель. Наверняка многие в предыдущих обзорах замечали что возле микросхемы всегда «пасется» небольшой (или большой) диод. Так вот этой микросхеме внешний диод не нужен.

Третья удобная особенность микросхемы в наличии входа SS — Софт старт. При подаче питания микросхема стартует не мгновенно, а постепенно повышает ширину импульсов пока не войдет в режим стабилизации, такой режим полезен с «тяжелыми» нагрузками, которые при резкой подаче напряжения могут ввести микросхему в режим защиты по превышению тока.


Немного отвлекусь на тему синхронного выпрямления.
Довольно давно, проблему стабилизации напряжения решали при помощи линейных дискретных стабилизаторов. Потом начали выпускать интегральные, в виде «многоножек» с внешними элементами и внешним мощным транзистором.
Уже после этого пошли привычные многим микросхемы КРЕН, ну или более корректно КР142ЕНхх.
Всем они были удобны, малые пульсации на выходе, очень простые в подключении, вот только тепла рассеивали кучу. Но радиаторы были дешевые и никого особо тепло не волновало.
Хотя я показывал в одном из обзоров, как сделать преобразователь с высоким КПД из КРЕН5 (7805).
Но параллельно развивались и импульсные стабилизаторы. Они также сначала были дискретными (без специализированных микросхем) и довольно сложными (что отчасти тормозило их применение). Но потом начали делать (а чаще копировать с зарубежных) интегральные ШИМ стабилизаторы напряжения.

Простой импульсный стабилизатор напряжения состоит из нескольких основных узлов (рассмотрим понижающий).
Собственно контроллер
Ключевой транзистор
Диод
Дроссель
Выходной конденсатор.

Нас интересуют первые три пункта.
Все знают что биполярные транзисторы и диоды имеют фиксированное падение напряжения на переходе. У обычных диодов больше, у диодов Шоттки меньше.
Такое решение в принципе простое и дешевое. Но потом начали применять полевые транзисторы, это позволило повысить КПД преобразователей, так как при помощи полевых транзисторов можно обеспечить меньшее падение напряжения на ключевом элементе.
КПД повысился, но оставался диод, который заменить транзистором гораздо сложнее, но потом решили и эту проблему, данный преобразователь как раз являет примером такого решения.

На блок схеме слева показан обычный преобразователь, с внешним диодом, справа тот, что в обзоре.
В начале цикла преобразования транзистор открывается и происходит накопление энергии в дросселе, через некоторое время транзистор закрывается, напряжение на выводах дросселя меняется на противоположное и ток начинает течь через диод в нагрузку.
В данной микросхеме диод заменили полевым транзистором и разместили внутри микросхемы, КПД стал выше и теперь преобразователю не нужен внешний диод. Хотя на самом деле диод есть, паразитный диод полевого транзистора, но в данном случае это непринципиально.


На этом я закончу с теорией и перейду к практике.
В даташите было два варианта схемного решения преобразователя, с керамическими и электролитическими конденсаторами.
Я решил делать первый вариант, с керамическими, так выходит немного компактнее.


В даташите на микросхему был пример трассировки, которым я и воспользовался.


В моем варианте печатная плата выглядит так.


Под эту задачу я нашел дома некоторые детали, а когда был на рынке, то купил дополнительно дроссель 5.2мкГн, но как потом выяснилось, зря. Да и стоил дроссель почти доллар, очень дорого даже для оффлайна.


Зря я купил дроссель потому, что хотел сделать выходное напряжение в 5 Вольт, а судя по таблице, для этого дроссель должен иметь индуктивность 10мкГн.
Кстати, в этой таблице есть и номиналы делителя для определенных фиксированных выходных напряжений.
Я применил немного другие номиналы, из стандартного ряда Е24, нижний резистор 9.1кОм, верхний — 39кОм. Верхний по расчетам должен был быть 40кОм, но так как точное напряжение мне было не нужно, то обошелся так.


После этого перешел к сборке.
Так как микросхема должна припаиваться нижней пластиной к полигону платы, то я сначала сделал так, как на фото:
1. Нанес немного припоя под микросхему.
2. Прогрел полигон и установил микросхему на место, прогрел еще раз с обеих сторон прижимая микросхему пинцетом.
3. Проверил что дно микросхемы действительно припаялось, попытавшись ее отковырнуть, потом припаял остальные выводы.
4. Промыл плату и перешел к монтажу остальных компонентов.
Конечно проще было припаять микросхему при помощи фена, я потом так и сделал. Но фен есть не у всех.


На выходе у меня получилась такая платка.
Дроссель не припаян, а просто показан для демонстрации того, как это было задумано. Впрочем так и можно использовать плату, но при низких выходных напряжениях.


У меня был такой же дроссель, только на 10мкГн, но он не подходил, так как рассчитан на меньший ток. Дело в том, что с ростом индуктивности падает рабочий ток дросселя (при одинаковых габаритах), и если 5.2мкГн мне еще подходил по току, то 10мкГн уже не подходит, по крайней мере из той серии, под которую я трассировал плату.

Пришлось найти дома разные дроссели, потом один из них перемотать чтобы получить необходимую мне индуктивность.
Дроссель намотан в два провода диаметром 0.63мм.


Фото для понимания размерови сравнение ее с платами из двух прошлых обзоров.


Поближе.


В качестве тестового стенда я применил тот же набор, что и в прошлый раз
Блок питания
Электронная нагрузка
Мультиметр
Еще один мультиметр
Осциллограф
Бесконтактный термометр

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 TRI1461
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.