Понижающий преобразователь напряжения с выходным током до 20А

Понадобился мне для одного из проектов мощный понижающий преобразователь напряжения и решил я его перед применением немного протестировать.
Небольшой осмотр, тесты, выводы.



На самом деле задача у меня была получить ток до 40А при напряжении 4.8-5 вольт, причем нагрузку можно разделять и можно использовать 2 преобразователя по 20А. Но рисковать заказывая сразу пару не очень хотелось и решил взять для начала на пробу один.

К слову, вообще это уже второй такой заказанный преобразователь, некоторое время назад я уже пытался его заказать, но прислали вариант на 10А и самое обидное то, что заметил я это уже когда прошли все сроки защит. Пришлось повторить заказ, но уже в другом магазине.

Упаковка простейшая, конверт и антистатический пакет, преобразователь компактный, размеры 60х52х28мм.


Заявленные параметры (со страницы товара)
Входное напряжение: от 6 В до 40 В постоянного тока (от 10 В до 40 в предлагается)
Выходное напряжение: 1,2 В до 36 В постоянного тока
Выходной ток: 20А (макс.), 15А (рекомендуется)
Эффективность: 95% (24В до 12В, 20А)
Выходная пульсация: ≤ 50 мВ
Способ подключения: терминал
Защита от короткого замыкания: самовосстановление (не может долгое замыкание)
Размер: 60x53x27 мм/2,36x2,08x1,06"

Внешне выглядит относительно аккуратно, ничего не болтается, не висит, радиаторы прикручены небольшими винтиками, а не висят на выводах компонентов. Есть четыре крепежных отверстия.




1. Со стороны входа имеется винтовой клемник, выключатель и светодиод индикации включения. Выключатель коммутирует сигнал управления ШИМ контроллером, клемник так себе, какой-то «жиденький»
2. Со стороны выхода такой же терминал, рядом два подстроечных резистора для установки выходного напряжения и ограничения тока.
3. Входные конденсаторы 2шт 470мкФ 50 вольт
4. Выходные конденсаторы 3шт 270мкФ 35 вольт с закосом «под фирму», хотя вполне может статься что и оригинал, сложно так сказать.
5, 6. Преобразователь с синхронным выпрямлением, соответственно на радиаторах установлены два полевых транзистора, а не транзистор + диодная сборка. Транзисторы одинаковые — NCE8290, N-канальные, 82В 90А 8.5мОм, что в принципе даже неплохо.


Компоновка не сильно плотная, но тем не менее, не очень удачная, конденсаторы стоят впритирку к силовому дросселю, который в работе обычно довольно сильно греется.


ШИМ контроллер, операционный усилитель, шунт и остальная мелочь находится снизу платы.


Справа вверху виден ШИМ контроллер — LM25116, ниже шунт 4мОм и ОУ для усиления сигнала с него — LM321



Из ключевых особенностей ШИМ контроллера — синхронное выпрямление, встроенный драйвер с током до 3.5А, питание до 42 вольта, настраиваемое ограничение тока и выходное напряжение в диапазоне 1.21-36 вольт.
Если коротко, весьма интересный контроллер.


В даташите имеется схема типового включения, но собственно здесь ничего необычного, виден как контроллер, так и силовые транзисторы, а также токоизмерительный шунт. Отмечу что в даташите есть два примера включения и в обоих контроллер и силовая часть питаются от разных источников, у обозреваемого преобразователя источник один, что также допускается, но диапазон входного напряжения при этом ограничен максимальным для контроллера, т.е. 42 вольта.


В реальности с выходным напряжением все немного похуже.
1, 2. Если минимальное в общем-то соответствует заявленному, хотя без нагрузки и болтается в идапазоне примерно 1.24-1.45 вольта.
3. То вот максимально я смог получить только 30 вольт.
4. При том что на входе было установлены максимально заявленные в описании 40 вольт, так что это не ограничение из-за входного напряжения, а не совсем корректно рассчитанный делитель обратной связи.


Потребление вы выключенном состоянии практически нулевое. Во включенном, но без нагрузки в диапазоне 12-24 вольта ток около 20мА, но при входных 36 заметно поднимается и составляет уже 60мА. Измерение в данном случае грубое, но не думаю что это критично.


Ограничение тока работает, но минимум можно выставить только около 700мА, максимум что смог проверить, 12.2А, выше не стал поднимать, предохранители к мультиметру стоят дорого. При некоторых значениях тока преобразователь тихонько пищал.


Далее шла проверка точности поддержания напряжения при токах нагрузки от 5 до 20А. Для начала выставил на выходе 5 вольт.


И затем измерил выходное напряжение при токах 5, 10, 15 и 20А. Мультиметр был подключен к проводникам печатной платы под клеммником.
В диапазоне токов 0-20А просадка напряжения составила 0.12 вольта. Не скажу что это плохо, но при малых выходных напряжениях уже заметно.


Такая же проверка, но при выходном 12 вольт, входное было 24 вольта.
Сначала без нагрузки


Затем при токах 5, 10, 15 и 20А.
Имеем ту же разницу в 0.12 вольта, предположу что имеется проблема с корректностью разводки печатной платы.


Пока гонял преобразователь в разных режимах и делал фото для обзора, заметил что появился нагрев и был удивлен что температура довольно высокая, хотя не сказал бы что предварительные тесты заняли много времени.


Кроме того, обратил внимание на заметную зависимость КПД от входного напряжения, а точнее, от разницы вход/выход.
Для примера на входе 12 вольт, на выходе 5 вольт и ток 20А, при этом преобразователь потребляет 114.5Вт.


При 24 вольта по входу уже 117.3Вт, а если поднять входное до 36 вольт, то еще больше, 121.6Вт.
Т.е. при выходном 5 вольт 20А и изменении входного напряжения в диапазоне 12-36 вольт имеем от 114.5 до 121.6Вт.
В моем случае входное будет 10-14 вольт, потому все нормально, но возможно кому-то будет критично.


КПД измерялся в нескольких режимах, ниже три графика для выходного 5 вольт и входного 12, 24 и 36 вольт, по горизонтали ток нагрузки от 2.5 до 20А кратно 2.5А.

Результаты довольно грубые так как входная мощность оценивалась по показаниям блока питания, а значит влияло падение на проводах от него к преобразователю, думаю реально КПД примерно на 1% выше.


Здесь также три графика, но в других режимах, пара с выходным 12 вольт и входным 24 и 36 вольт, а также вариант с выходным 24 вольта и входным 36 вольт (верхний график).
Отмечу что в тесте 36-24 вольта был ток нагрузки 15А и соответственно выходная мощность почти 360Вт при максимальной заявленной 300Вт.


Как я писал ранее, преобразователь ощутимо греется, для проверки я провел тест при выходном напряжении 5 вольт, входном 12 вольт и токах нагрузки 10 и 15А. Отмечу что этот один из наиболее оптимальных режимов, в других нагрев может быть еще больше.
1. На момент начала теста преобразователь был уже немного прогрет.
2. Через 20 минут при токе 10А нагрев в пределах нормы.
3. Еще через 20 минут при токе 15А нагрев стал более заметным, максимальную температуру имел входной транзистор — 106 градусов.

По результатам теста рекомендую либо ограничивать выходной ток, либо подумать об активном охлаждении.


Пульсации.
В общих чертах очень даже неплохо, я как-то ожидал худшего.
Выходное напряжение 5 вольт, входное 12.
1. Без нагрузки
2, 3, 4. При токах 5, 10 и 20А


На самом деле в спектре пульсаций присутствовали «иголки», но так как тест производился с насадкой на измерительный щуп (1мкФ+0.1мкФ), то их не видно.
Ниже осциллограмма с прямым включением щупа при токе 20А и соотношении вход выход 12-5.


Те же токи нагрузки, 5, 10 и 20А, но соотношение вход/выход другое, слева 30-5 вольт, справа 24-12 вольт.


Если присмотреться к вышеприведенным осциллограммам, то думаю можно заметить что «горизонт завален», т.е. каждый последующий импульс выше или ниже предыдущего.
Меня заинтересовал этот момент и я увеличил время развертки в итоге получив такую вот не очень приятную картинку. Видно что общий размах пульсаций около 80мВ, проявляется такое при выходном напряжении 12 вольт и выше, а также при токах около 15А и более, нижняя осциллограмма сделана при выходном напряжении 12 вольт, входном 24 вольта и токе 15А.


Под конец обзора сравнительное фото других преобразователей в том же формфакторе, посередине повышающий, справа понижающий, но на 10А. Думаю также написать небольшие обзоры, если кому-то интересно.


В качестве итогов скажу, что в общих чертах преобразователь работает, но есть довольно много замечаний.
1. Нагрев, более 15А с него длительно не снять без дополнительного охлаждения, но это указано в описании. Но даже 15А это уже работа близко к предельным значениям, особенно при большой разнице вход/выход.
2. Регулировка тока только от 0.7А
3. Выходное напряжение до 30 вольт при заявленных 36.
4. Входные конденсаторы низкого качества.
5. Клемники хилые, особенно под заявленные 20А.

Если коротко, то производитель взял в общем-то неплохую элементную базу, но в итоге получил средненький преобразователь, думаю что часть проблем кроется в ошибках трассировки.

На этом пока все, надеюсь что было полезно.