Универсальный преобразователь напряжения или пару слов от том, что такое SEPIC

В сегодняшнем обзоре я хочу рассказать о довольно полезной вещи, универсальном преобразователе напряжения.
Что это такое, как работает и что может, как всегда под катом.


Некоторое время назад, в одном из моих обзоров я уже упоминал о таком типе преобразователей, и даже собрал для примера один из них, сегодня пришла очередь обзора готового преобразователя такого типа.

Для начала буквально пара слов о том, что же это за преобразователь такой хитрый.
Обычно преобразователи бывают трех типов.
1. Повышающий
2. Понижающий
3. Инвертирующий

Но все они не могут выдавать напряжение выше/ниже чем напряжение источника.
Например понижающий из 10 никогда не сделает 12, а повышающий из 20 не сделает 5.
Но иногда бывают ситуации, когда входное напряжение в процессе работы может плавать как выше, так и ниже необходимого выходного.
Например надо 12 Вольт (к примеру питание жесткого диска или монитора), а питается это все от бортовой сети автомобиля, где может быть и 10 и 14.5.
Такую задачу чаще всего решают двумя способами.
1. Повышают до 15-20, а потом понижают до необходимого.
2. Ставят повышающе-понижающий преобразователь, он же Buck-Boost, он же SEPIC.

Первый тип уже обозревал коллега Ksiman.
Я же расскажу о втором.

Сначала немного общей информации.
Пришел преобразователь вместе с другим товаром и был упакован просто в пакетик с защелкой.


На сайте магазина заявлено

Входное напряжение — 4V-35V
Выходное напряжение — 1.23V-32V
Выходной ток — 3A максимум
Максимальная мощность — 25 Ватт
Размеры 50 x 25 x 12мм

Что означают данные характеристики.
Выходной ток не может быть более 3 Ампер при условии что выходная мощность не может быть более 25 Ватт.
Т.е. ограничивать надо то, во что раньше «упремся».
Можно получить на выходе 10 Вольт 2.5 Ампера (25 Ватт), или 5 Вольт 15 Ватт (3 Ампера).
На самом деле характеристики отличаются от заявленных, но об этом немного позже.

Выглядит платка вполне аккуратно, видно подстроечный резистор для регулировки выходного напряжения (ток не регулируется и не ограничивается).


Также на плате видно два дросселя, один из признаков SEPIC преобразователя, хотя и необязательный. иногда делают один дроссель с двумя обмотками, но он тоже на вид отличается.


Ну и печатная платка вид сверху :)


Снизу пусто. Видны межслойные переходы, позволяющие отводить тепло на нижнюю сторону платы, но как то расположены они нелогично, скорее всего они больше играют роль именно электрического соединения.
А жаль, можно было улучшить тепловой режим, но лучше так, чем никак.


Думаю что размеры платы проще понять по такому фото :)


Так, с внешним видом закончили, теперь попробуем разобраться подробнее, что же это такое.
Мне конечно очень хотелось бы расписать подробно что это и как оно работает. Но все дело в том, что описать совсем просто такой тип преобразователей тяжело, мало того, я даже когда подготавливал материалы к обзору, то натыкался на противоречивые описания.

Для начала блок схема собственно этого типа преобразователя. Стоит отметить, что существует два варианта топологии данного типа преобразователя, я приведу ту, к которой относится обозреваемая плата.


Дальше я попробую «дать слово» специалистам с большим опытом.
В процессе поисков я наткнулся на описание, которое на мой взгляд наиболее точное. Ссылка на оригинал статьи, а ниже я процитирую краткое описание принципа работы.

На схеме силовой ключ в состоянии — замкнут. Когда ключ замкнут, входная индуктивность заряжается от источника, а вторая индуктивность заряжается от конденсатора, выходной конденсатор в это время обеспечивает ток нагрузки.
В это время энергия в нагрузку не поступает, полярности токов в катушках и напряжений на конденсаторах обозначены на схеме. Тот факт, что обе индуктивности, L1 и L2, при замкнутом ключе отключены от нагрузки, усложняет регулировочные характеристики, как мы увидим далее.


После размыкания ключа схема приобретает несколько другой «вид».
Когда ключ разомкнут, первая индуктивность заряжает конденсатор С1, а также поддерживает ток в нагрузке, как показано на схеме. Вторая индуктивность в это время также подключена к нагрузке.


Если простыми словами, то схема работает за счет взаимной перекачки энергии между компонентами, позволяет как повышать напряжение, так и понижать его.
Для лучшего понимания я покажу где на плате все эти элементы.
Кстати, один из признаков SEPIC преобразователя — один ключевой элемент (не важно, транзистор или силовой ШИМ) и один диод.


Я начертил схему данной платы. номиналы пары компонентов могут немного отличаться от реальных, но в основном все соответствует.
Из минусов сразу отмечу то, что подстроечный резистор подключен к выходу, а не к общему проводу. Такое подключение крайне не рекомендуется, так как в случае пропадания контакта при регулировке на выход будет подано максимальное выходное напряжение.


Основой данной платы является небольшой ШИМ контроллер, который уже управляет мощным полевым транзистором и контролирует выходное напряжение.
В качестве ШИМ контроллера применен FP5139, ссылка на даташит.
Данный ШИМ контроллер работает на частоте 500КГц, что весьма неплохо. Диапазон входного напряжения 1.8-15 Вольт, что также приятно, особенно нижний порог в 1.8 Вольта. Думаю прикупить себе отдельно этих микрух.
Управляет контроллер полевым транзистором 088N04L, это 40 Вольт, 50 Ампер, 8.8мОм транзистор который может управляться сигналом логического уровня (обычно это 5 Вольт).


Также отличительным признаком SEPIC преобразователя является емкий керамический конденсатор.
Вообще, SEPIC отличается от других преобразователей тем, что содержит больше компонентов.
У классических повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователей три основных элемента, но включенных в разной комбинации — дроссель, транзистор, диод.
Здесь к этой связке добавлен еще один дроссель и конденсатор.
Выходной диод на плате — SK86, весьма неплохой диод, заявлен максимальный ток до 8 Ампер.


Дальше я перешел к тестам.
Когда собрал такой «стенд», то мне даже жалко стало преобразователь.
Порвут ведь как Тузик грелку, подумал я, и как показала практика, не сильно был далек от истины.


Первое включение.
Сразу расскажу что вообще означает куча цифр на экранах.
Слева блок питания.
Верхний ряд — Выходное напряжение, выходной ток.
Нижний ряд — Выходная мощность, отданное количество мАч в нагрузку (но нам это неважно в данном случае)

Справа электронная нагрузка.
1. Установленный ток, Напряжение отключения (в данном случае неважно)
2. Измеренный ток нагрузки, измеренное входное напряжение (выходное напряжение преобразователя).
3. Принятая емкость (неважно в данном случае), мощность нагрузки (ток х напряжение).
4. Неважно.


Дальше я погонял преобразователь в разных режимах. Режимы выбирались отчасти спонтанно, параллельно измерял температуру основных компонентов и записывал в табличку.


Входное напряжение я не поднимал выше 14 Вольт, ниже расскажу почему так.


Судя по результатам измерений температуры я могу сказать, что плата не выдает заявленных характеристик.
Но небольшой нюанс. Не выдает она их из-за перегрева, мощности силовых элементов хватает чтобы выдавать их в течении короткого времени, но при длительном перегревается.
Можно конечно сделать радиатор, но охлаждать надо транзистор, два дросселя и диод, это сложно :(
Кроме того было замечено небольшое снижение выходного напряжения по мере прогрева преобразователя, обусловлено это часто тем, что применены не прецизионные резисторы и их сопротивление«плывет» от нагрева, но изменение не очень большое и им можно пренебречь.


Так как данный тип преобразователей отличается от других решения более высоким КПД, то я решил проверить и его.
В качестве демонстрации я сделал небольшой эксперимент. Для более наглядной демонстрации я выставлял такой режим работы, чтобы входная мощность была всегда равна 10 Ватт (ну или около того). в таком режиме выходная мощность будет равна КПД преобразователя.
На самом деле КПД будет выше, так как в таком варианте не учтены потери на проводах. Но так как они короткие, то врядли погрешность превысит пару процентов.


Еще несколько фото в разных режимах, повышение, понижение и с разным значением напряжений.
Кстати, по предыдущим фотографиям можно также посчитать КПД. Для этого надо измеренную мощность нагрузки (справа) разделить на измеренную мощность источника (слева).
Например на БП 15.45, на нагрузке 12.3. 12.3 / 15.45 = 0.796
Но уже даже так можно сказать, что КПД выше чем у комбинации повышающий + понижающий преобразователь.



Выше я писал что ограничил входное напряжение на уровне в 14 Вольт.
Сделано это было не просто так. Дело в том, что я сначала начал тестировать, а только потом перерисовал схему.
Изначально я думал что производитель просто сделал все по схеме из даташита и транзистор на плате для управления включением/выключением (кстати, преимущество SEPIC в том, что выход можно отключить, например step-up отключить нельзя) и входное напряжение не должно превышать 15 Вольт (из даташита на контроллер). Хотел еще ругаться что указали диапазон входного 35 Вольт.
Но начав разбираться со схемой я понял, что производитель поступил хитрее, он поставил на плате стабилизатор питания на примерно 9.5 В. Я допускаю что так сделано не на всех платах, будьте внимательны.
Сбил меня с толку именно регулирующий транзистор стабилизатора так как в схеме из даташита тоже есть транзистор.
Кстати, джампер на плате управляет включением/выключением преобразователя.


Разобравшись со схемой я решил продолжить тесты, но не успев даже начать я спалил плату.
Мощный транзистор ушел в КЗ, я даже не понял как это произошло.
Порывшись в загашниках нашел какую то материнскую плату, откуда выпаял полевой транзистор в таком же корпусе. Разница в том, что он только до 30 Вольт :(
Быстро перепаял, благо ничего больше из строя не вышло.
Кстати. Данный преобразователь в какой то степени является «безопасным», так как при выходе из строя силового транзистора он не подаст на выход полное напряжение питания как в случае с step-down.
Как еще один нюанс, данный тип преобразователей имеет выше пульсации на выходе (в сравнении с другими типами), но гораздо меньшие по входу, что дает преимущество при работе от аккумуляторов.


А вот дальше я захотел не только продолжить тесты, но и попробовать разобраться, почему вышел из строя транзистор.
В процессе тестов было замечено, что чем выше входное напряжение, тем ниже КПД.
Например при выходном 15 Вольт КПД составил для входного 20 Вольт 80%, а для 26 Вольт всего 62%.
Причем чем выше выходное, тем КПД еще меньше. При 20 Вольт выходного я легко получал входной ток более 2 Ампер и КПД ниже 40%.
После этого я вспомнил, что около транзистора была небольшая капелька припоя, которой до пробоя не было, а выходное напряжение после последнего эксперимента составляло 25 Вольт, а я и на входе накрутил почти 30, он даже пискнуть не успел.
Т.е. получается что транзистор буквально «спекся». Вызвано это скорее всего тем, что индуктивности начали входить в режим насыщения.
SEPIC конечно может работать в широком диапазоне напряжений, но оптимальный диапазон все таки привязан к примененным компонентам и нельзя охватить все.


Эксперименты показали, что чем ниже выходное напряжение, тем выше я могу поднять входное.
При 10 Вольт на выходе я легко накрутил 27 Вольт на входе, выше поднимать не стал так как максимальное напряжение транзистора всего 30.
Вообще это нормально и просто надо учитывать при использовании. Т.е. это скорее особенность чем неисправность.


Расписывать плюсы и минусы не буду, думаю все понятно просто из обзора, но немного сведу полученную информацию вместе.
1. Преобразователь работает и обеспечивает КПД выше чем у комбинации повышающий + понижающий преобразователь.
2. Характеристики платы завышены, но при желании можно получить и 3 Ампера, и 25 Ватт, все зависит от комбинации входного и выходного напряжения.
3. Компоненты применены очень неплохие. Но дроссели должны быть рассчитаны на больший ток, а транзистор надо дополнительно охлаждать.
4. Плата содержит стабилизатор питания ШИМ контроллера, благодаря чему входное напряжение может быть увеличено выше 15 Вольт.
5. При определенной комбинации входного и выходного напряжения происходит пробой силового транзистора. :(

В общем плата вполне работоспособна, но с некоторыми ограничениями о которых написано выше.
Подходит для питания устройств с небольшим потребляемым током в широком диапазоне входного напряжения, но для мощных устройств не пойдет из-за перегрева.
В интернете видел небольшой обзор этой платы, там результат немного другой, но скорее непонятно было то, что там указано насчет защиты. У меня она сработала один раз, напряжения на выходе не было пока не отключил питание платы, но как она определяет перегрузку я не понимаю, так как датчиков тока нет, хотя в даташите защита от КЗ заявлена и она срабатывала…

Надеюсь что обзор был интересен и полезен, если интересно, могу проверить работу в других комбинациях напряжений.