Регулируемый SEPIC преобразователь напряжения XYS3580

Вот я добрался и до преобразователя XYS3580 о котором неоднократно писали. Ну а почему бы и не написать, универсальный вход, мощность до 80Вт, правда как выяснилось, есть у него много «нюансов», о которых я сегодня и хочу рассказать.
Осмотр, тесты, осциллограммы и скромная попытка применения.



Вообще этот преобразователь я заказывал исключительно для обзора, так как меня о нем просили уже несколько моих постоянных читателей. Попутно просто так решил сделать если не самый маленький, то по крайней мере близкий к этому, регулируемый блок питания. Но увы, все оказалось несколько хуже, чем я планировал изначально, кроме того, из-за этого обзор будет идти скорее не в логическом, а хронологическом порядке, потому возможны некоторые «перескоки» с одной темы на другую, но перейдем к делу.

Реклама обещала симпатичный дизайн, цифровое управление, мощность до 80Вт, правда с ограничениями.


В расширенном варианте описания приведены как изображения нескольких экранов, так и более полные характеристики.
Из ключевых —
Входное напряжение: 6-36В
Выходное напряжение: 0.6-36В
Выходной ток: 0-5А
Выходная мощность: 80Вт
Максимальный входной ток: 7А
Дискретность установки напряжения: 0.01В
Дискретность установки тока: 0.001А
Точность установки напряжения: ±0.3% +1 знак
Точность установки тока: ±0.4% +3 знака



Упаковка крайне лаконичная, невзрачный коробок, внутри нечто замотанное в пупырку.


Кроме собственно преобразователя больше ничего нет, даже инструкции.


Формфактор корпуса стал наверное уже стандартом, в таком же корпусе идет сейчас довольно много разных устройств, генераторы, преобразователи, даже электронная нагрузка. На мой взгляд очень удобный формат, если бы не мелкий экран.


Для упрощения монтажа есть чертеж с размерами


На передней панели находится экран размером 27х27мм (1.44 дюйма), нажимной энкодер и кнопка включения. В общем-то тот минимум, необходимый для управления, меньше только если убрать отдельную кнопку, как я писал в предыдущем обзоре.


Сзади печатная плата и клемник для подключения входа и выхода. Клеммник дешевый, я считаю что можно было поставить и более качественный, при подключении учитывайте что минус входа и выхода не равнозначны и соединять их друг с другом нельзя.



За охлаждение отвечает небольшой радиатор и вентилятор 30х30х10мм. Управление вентилятором в зависимости от нагрузки и выходного тока, что конечно радует, но регулировки оборотов нет.


Так как преобразователь реализован по топологии SEPIC, то соответственно на плате два одинаковых дросселя (да, я знаю что SEPIC бывает и с одним дросселем), между ними расположен развязывающий конденсатор.
С другой стороны от радиатора пара операционных усилителей, отвечающих как за измерение тока/напряжения, так и за их установку. Здесь же находятся выходные конденсаторы, 470мкФ и 220мкФ 50В.


А вот конструкция сходу не понравилась, дело в том, что платы собраны «бутербродом» и на самом-то деле это нормально, но вот то, что удерживается верхняя плата только за счет соединяющих их разъемов, не очень так как вынимается плата совсем легко.
Рекомендую зафиксировать плату чем нибудь перед применением.


Условно платы можно разделить на силовую и управления, на силовой расположены дроссели, конденсаторы, транзисторы и пр., на плате управления соответственно микроконтроллер, дисплей, энкодер.
Силовая плата имеет двухсторонний монтаж, причем снизу также довольно много компонентов, по центру виден транзистор защиты от переполюсовки, что как мне весьма может быть полезным, но при стационарном применении лучше его закоротить.


За питание «мозгов» отвечает XL1509, насколько я понял, правее расположен транзистор управления вентилятором.
Также снизу находится и дроссель для снижения уровня пульсаций. Дело в том, что SEPIC имеет довольно высокий уровень пульсаций и подобное решение это небольшой плюс производителю. Правда дроссель могли поставить и побольше.


Микроконтроллер, отдельный стабилизатор питания, ничего интересного.


Конструкция в полностью разобранном виде, кстати в отличие от силовой платы, плата управления вынимается тяжело.


Спереди несколько стоек, дисплей, энкодер и кнопка. Кнопка нормальная, нажимается не сильно туго.
Помня о проблемах плат DPS проверил что ручка энкодера имеет изоляцию, тогда отсутствие изоляции приводило к проблемам из-за статики.


Вентилятор на 5 вольт, думаю что при необходимости найти замену не составит труда, как и подобрать более мощный.


А вот это неожиданно, мало того что радиатор прижат просто к пластиковым корпусам компонентов, так здесь еще и нет термопасты, как говорится — косяк в квадрате!


Установлен уже известный ШИМ контроллер FP5139, он был у меня в обзоре SEPIC платы. Если коротко, работает этот чип на частоте до 500кГц, что по своему помогает в уменьшении размеров дросселей, но при этом мешает в управлении силовыми транзисторами.
Кстати, транзистор B75NF75 75В, 80А, 9.5мОм. Так как частота высокая, то выход ШИМ контроллера усилен при помощи эмиттерного повторителя.
Левее находится диодная сборка B10100G, параметры понятны из маркировки — 10А 100В. Между транзистором и диодной сборкой небольшой терморезистор.


Пайка элементов красивая, а силовых элементов даже слишком красивая, ощущение что припоя пожалели.


Перед сборкой не удержался и все таки добавил термопасту на транзистор и диодную сборку, попутно проследив чтобы радиатор не перекосило при установке.


При включении отображается простенькая анимация и потом преобразователь переходит в штатный режим работы. Экрана «по умолчанию» у него нет, запоминается тот, что был перед отключением, то же самое касается и установок.


Потребление платы.
Здесь вот как-то не все так однозначно, если с неактивным выходом потребление небольшое, порядка 30мА, причем независящее от напряжения питания (что странно с учетом наличия DC-DC), то при активном выходе и установленных 30В потребление поднимается до 100мА (1.2Вт) при 12 вольт на входе и до совершенно несуразных 55-60мА (почти 2Вт) при водном 35В.

Вообще параллельно выходу стоит резистор 2.2к и при 30В он рассеивает 0.4Вт, но даже так, почему такое большое потребление, ведь все эти 2Вт уходят в итоге в тепло.

Но мало того, при разных переходных процессах плата у меня иногда потребляла 3, а то и все 11 Вт!
Внизу два фото, где видно показания блока питания и то, что при этом к выходу преобразователя ничего не подключено.


Управление и отображение информации.

1. Как я писал, при включении небольшая анимашка
2. Основной экран, текущее напряжение/ток/мощность, правее режим работы и температура платы, внизу заданное напряжение и ток.
3. Вспомогательный экран, сюда выведена прошедшая емкость Ач и Втч, а также время работы с последнего сброса показаний.
Ниже входное напряжение платы и выходное напряжение/ток.
4. Отображение графика тока и напряжения, вроде и интересно, но на таком мелком экране не очень функционально.
5, 6. Настройки.
M-PRE — Автозапуск настроенной ячейки памяти.
U-SET — Установка напряжения по умолчанию
I-SET — Установка тока по умолчанию
S-LVP — Минимальный порог входного напряжения
S-OVP — Максимальный порог выходного напряжения
S-OCP — Лимит выходного тока, максимум 5.2А, срабатывает только если при активации выхода есть превышение тока.
S-OPP — Максимальная выходная мощность
S-OTP — Порог срабатывания защиты от перегрева
S-OHP — Лимит времени работы
S-OAH — Лимит емкости Ач
S-OWH — Лимит емкости Втч

В настройках есть странность, да, по умолчанию преобразователь включается с установками тока/напряжения по умолчанию, но у меня было такое, что он запоминал последнее установленное значение и грузился с ними. Скажу больше, то что он загружается с тем что установлено в настройках, я увидел когда уже писал обзор.

7. Дополнительные настройки
Регулировка яркости подсветки
Время автоматического гашения экрана
Коррекция датчика температуры
Настройка цветового оформления

8, 9. По умолчанию яркость имеет уровень 3, регулировать можно от 1 до 5, я сходу поставил 5 так как экран не очень яркий.


1, 2, 3. Установка тока/напряжения проста. Кликаем на энкодер, подсвечивается строка установки напряжения или тока (выбирается вращением), следующий клик выбирает дискретность регулировки, для напряжения максимум 1В, для тока 0.1А. Выход автоматически, при следующем клике на энкодер выберется то, что использовалось ранее.
4. График отображается, но как я писал, функциональность его под вопросом. Кстати непонятно, почему фотоаппарат всегда красный цвет на подобных экранах отображает более блекло чем остальные…
5. Реально порадовало то, что мощность выхода можно установить аж до 110Вт!
6. А вот то, что минимальное выходное напряжение может быть только от 0.6В удивило, чаще в подобных устройствах все таки делают от нуля.


При длительном удержании кнопки включения активируется функция поворота изображения на экране, возможно кому-то будет полезно.


Точность установки выходного напряжения.
В описании заявлялось 0.3%, реально при максимальном напряжении получаем 0.7, многовато.


Для тока погрешность допускается немного больше, 0.4%, реально при макс токе я получил ближе к 0.5%, но на самом деле можно сказать что учетом допустимой ошибки в 3 младших знака проходит, но совсем впритирку.


Нет, это еще не измерение КПД, это наблюдение.
Пока тестировал точность задания тока обратил внимание что при выходной мощности в 1.6Вт от БП потребляется почти 15 ватт при входном напряжении 12 вольт, поднял напряжение до 24 вольт, но особо ничего не изменилось, а точнее стало даже хуже.
Т.е. преобразователь в тепло переводил целых 14Вт!


Попутно заметил, что при регулировке входного напряжения, где-то в диапазоне 28-32В и нагруженном выходе иногда у БП проскакивало ограничение тока, т.е. переход в режим СС при том, что как было видно выше, мощность небольшая, а ток моего БП установлен на уровне 5.1А.

В общем игрался, игрался, попутно заметил что температура поднялась примерно до 75 градусов и в момент одной такой регулировки экран у преобразователя побелел, ток от БП упал и похоже что плата отключилась.
Ну все думаю, капец котенку…


И таки да, проверка показала, что по выходу имеем около 4 Ом. Экран минут через 20 ожил, а попытка включения загоняла преобразователь в ошибку OEP, как я потом понял, это ошибка установки выходных параметров, т.е. преобразователь не может выдать ничего из того что задано.


Зная топологию SEPIC преобразователей становится понятно, что к такому мог привести выход из строя выходного диода, в случае же выхода из строя транзистора плата не смогла бы вообще стартовать, да и чтобы получить КЗ в таком случае, должно было пробить еще и развязывающий конденсатор.


Так и есть, поднял обе ноги сборки и один диод оказался в КЗ, припаял исправную половинку и попробовал запустить.


Плата запустилась на 10-20 секунд так, чтобы я смог сделать фото и опять свалилась с ошибкой


Результат то же самый, КЗ по выходу. Причем что любопытно, в найденном мною даташите указывалось, что это не сборка из двух диодов, а одиночный диод, но тогда бы не заработало после отпаивания одного из выводов…
В любом случае сборка умерла.


Выковырял из платы от какого-то монитора сборку MBR10100 и припаял её на место предыдущей. Понятно что корпус отличается, потому пришлось поставить её вертикально. Потом я не неё установил радиатор с той же платы монитора.
Включаю, проверяю, все отлично.


В описании встречалась информация что данный преобразователь можно использовать для заряда аккумуляторов. На самом деле это было понятно и просто исходя из топологии преобразователя. но надо учитывать, что параллельно выходу стоит резистор 2.2кОм и при отключенном заряде он будет разряжать аккумулятор.


Нагрузочные тесты.
В описании говорилось что минимальное входное 6 вольт, реально плата начинает работать от 5, но при попытке выставить высокое выходное напряжение сначала устанавливает его на короткое время, а потом сбрасывает.
При 6 вольт работает уже более-менее, но я бы не рассчитывал получит большую мощность с выхода.


Но так как питать такую плату от 6 вольт имеет не очень большой смысл, то начал тесты с 12 вольт, как наиболее близкие к реальности.
Сначала выставил на выходе 5 вольт, плата отключилась почти при 25Вт на выходе, сработало ограничение тока по выходу так как ток почти дошел до 5.1А. Напряжение упало на 50мВ в сравнении с тем что было без нагрузки.


Установил по выходу 30В и здесь уже сработала защита по входу платы, потому мощность была максимум 60Вт. Напряжение по выходу упало на 40мВ (слева на графике напряжение на момент начала теста, справа есть конечное).


Ладно, понимаю что 12 вольт мало для нормальной работы, поднял до 19 вольт как аналог питания от ноутбучного БП.

Проверять при 5В выходного нет смысла, там я уперся в выходной ток, потому выставил на выходе 30В (максимальное входное напряжение моей нагрузки).
Здесь уже отсечка была по входному току, но мощность на выходе достигла 80 Вт.


При срабатывании защиты выводятся разные уведомления, в данном случае было ОРР — защита от превышения по мощности.
Вспоминаю что мощность можно поднять и выставляю 100Вт.


Повторяю тест с теми же параметрами, теперь преобразователь отключился по превышению входного тока, выходная мощность составила 92Вт. В принципе все правильно, 19х5.1=99Вт, а ведь есть еще КПД.


Ладно, поднимаю входное до 35В, повторяю тест и получаю ожидаемые 100Вт.


Но ведь в настройках был максимум в 110Вт, попробую выставить.


36 вольт на входе, 22 на выходе, мощность в 110Вт получена.


Так как тест проходил в автоматическом режиме, то сделал фото «на бегу», но все равно видно что почти 110 Вт есть реально.


А потом преобразователь опять выкинул белый флаг экран…
Вообще за все время он меня откровенно задолбал этим белым экраном, но я выяснил что:
1. Изображение восстанавливается после примерно 20 минут «отдыха»
2. Чаще всего это происходило при примерно 75 градусах на встроенном термометре.
3. Если плату выключить и включить, то все равно белый экран, но функционально все работает, можно не только включить выход, а и регулировать напряжение/ток, но делать это придется по памяти
4. Вот в этом случае после снятия/подачи напряжения и активации выхода плата давал на выход то напряжение, которые было перед отключением, а не то, что установлено «по умолчанию», причем можно было так включать/выключать, все равно запоминалось последнее перед отключением даже если его с белым экраном изменить (для ускорения тестов приходилось так делать).
5. Было такое что белый экран появлялся и при меньшей температуре, просто вот раз и всё, пробовал остудить, не помогает, только ждать и потом перезагрузить питание.



Пока тестировал, преобразователь прогрелся даже с тем, что я делал паузы. Конечно можно сказать что мол я ведь снял радиатор, но друзья, давайте будем объективными:
1. Изначально радиатор стоял без пасты и ничего не охлаждал
2. Добавление пасты ничем не помогло, также как не помогло бы даже охлаждение радиатора жидким азотом, так как отводить тепло от пластикового корпуса бессмысленно
3. Диод был вынесен за пределы платы, соответственно он не грел эту плату и тепловой режим транзистора был заметно облегчен.

В итоге транзистор легко нагревался в ходе коротких тестов до 75-80 градусов, а при мощностях 100-110 Вт и более 120. О долговременных тестах речь даже не шла.


Как оказалось, я не одинок, есть даже «народный метод» решения этой проблемы. В комментариях на алиэкспресс человек показал вариант доработки, за что ему большое спасибо, но как всегда есть несколько «но»:
1. Подобрать подходящие пластинки сложно, они должны быть не сильно тонкими чтобы проводить тепло и не сильно толстыми чтобы их реально было согнуть.
2. Припаять их тоже может стать нетривиальной задачей, но это самая мелкая проблема
3. Их надо выставить в одну плоскость.
4. Самая сложная проблема — радиатор надо однозначно изолировать от пластинок так как корпуса элементов не соединены электрически, а кроме того, если соединить радиатор и фланец транзистора, то получим мощный генератор помех так как частота работы преобразователя составляет приличные 500кГц.


Стало любопытно и я решил измерить КПД в разных режимах работы, а так как это преобразователь не только с регулируемым выходом, а и с универсальным входом, то тестов получилось очень много, для сокращения места свел их на несколько графиков в в зависимости от выходного напряжения.

Выходное 5 вольт, входное 12, 19 и 35, единицы по горизонтали соответствуют ступеням по 5Вт.

Как можно видеть, преобразователю тяжело работать на понижение с большой разницей вход/выход и это понятно, сама топология SEPIC хоть и универсальна, но дается это за счет снижения КПД.


Выходное 12 вольт, входное 12, 19, 28 и 35, картина аналогична, при высоком входном напряжении опять снижение КПД, оптимум при 19 вольт.
Единицы измерения по горизонтали здесь и далее соответствуют ступеням в 10 Вт, здесь же видно что график 12В обрывается раньше, так как в таком режиме мощность может быть только до 60Вт.


Выходное 24В, по сути все то же самое что было сказано выше.


А этот тест я проводил скорее в дополнение, выходное 30В, входное 12 и 35.
Ничего необычного, кроме того что график 12-30В обрывается уже на уровне 20Вт. Да, я не понял почему, но преобразователь сбрасывает выход если вставить 30Вт, хотя при линейном увеличении я получал до 60Вт…


Пульсации.
Они не были как-то оговорены, но я уже ждал чего-то не очень хорошего и мое ожидание было не просто так. Дело в том, что это опять недостаток SEPIC топологии, у них обычно уровень пульсаций выше чем у привычных «понижаек».

Размах пульсаций почти не зависел от режима работы и был ниже только в одной протестированной комбинации — 35-30В при мощности 80Вт.


В ходе измерения обратил внимание на характерный наклон осциллограммы и предчувствие не обмануло, в некоторых режимах работы, особенно при большом входном и малом выходном напряжении наблюдается такая вот картина если выставить более медленную развертку…


Параллельно с подготовкой обзора пытался реализовать идею мелкого регулируемого блока питания, для чего понадобился первичный источник, в роли которого выступала примитивная схема на базе классической IR2153, к сожалению в продаже не нашлось версии с индексом D, потому пришлось поставить диод на драйвер верхнего плеча.

Схема простейшая и не содержит защиты от КЗ, по задумке её роль выполняет сама плата преобразователя так как имеет защиту от превышения входного тока, но на всякий случай по выходу все таки поставил предохранитель на 5А.
Конденсаторы С12 и С13 хорошо бы поставить емкостью 0.22мкФ, но у меня таких дома не нашлось, а оперативно купить что-то из-за карантина не представляется возможным, трансформатор от АТХ БП, не перематывал, остальные компоненты большей частью от БУ плат ЖК мониторов.


Примерно такой БП трудится у меня уже более 5 лет в моем стареньком блоке с платой 6005, только там он мощнее и имеет два выхода, а также регулировку оборотов вентилятора на базе DC-DC 34063.

Хотя на мой взгляд, в данном случае гораздо проще применить какой нибудь готовый подходящий БП на 24 вольта и 120-150 ватт мощности и не заморачиваться с самоделками.


Потом по схеме набросал не менее простую печатную плату и изготовил её при помощи ЛУТ и бумаги также описанной в одном из моих обзоров.


Цель была сделать максимально компактный блок питания под конкретный корпус.


Корпус просто купил подбирая размер «на глаз», главное чтобы нормально стал преобразователь.


Из-за малого выбора корпусов пришлось выходные клеммы вынести на заднюю панель, ну а дальше дремель, шуруповерт, надфиль и немного приложения рук.


Компоновка получилась хоть и плотная, но тем не менее достаточно свободная для прохождения воздуха от боковых отверстий к вентилятору, хотя возможно отверстий стоит сделать больше.


Почти готовое устройство, увы, расположить клеммы на передней панели невозможно, а следующий по размеру корпус был совсем большой.
Вообще это средний вариант данного корпуса, одна половинка высокая, вторая низкая, дома есть еще вариант с двумя низкими, можно было взять с двумя высокими, но опять же, его не было, разве что брать два средних и комбинировать.


Еще надо будет сделать сеточку на вентилятор и заменить винтики на черные.


Хоть преобразователь и требует доработки охлаждения и у меня уже есть идеи по этому поводу, но уже сейчас он вполне работоспособен, просто при большой мощности нагрузки быстро уйдет в перегрев и отключится. Да и по хорошему трансформатор перемотать не помешало бы.


А вот теперь попробую резюмировать все вышесказанное.
На мой взгляд данный преобразователь имеет больше недостатков, чем достоинств. Он перегревается, производитель забыл положить термопасту, да и вообще неправильно реализовал охлаждение. Размах пульсаций большой, КПД низкий, периодически вылетает в белый экран, да и вообще при работе с ним ощущение что он «тормозит», т.е. есть некоторая плавность при установке напряжения, несколько замедленный отклик интерфейса, иногда загружается с параметрами по умолчанию, иногда с теми что были перед отключением.

Но на самом деле есть и положительные моменты, лично мне понравился удобный диапазон выходного напряжения и тока, можно было конечно сделать регулировку и от нуля, но на моей практике редко когда надо ниже чем 0.6 вольта.
Также понравилась программная функциональность, единственно что я хотел бы иметь, возможность полного отключения заряда при падении тока ниже 1/10 от установленного, т.е. эмулировать полноценное зарядное.

Что еще можно доработать чтобы уменьшить нагрев и улучшить КПД.
1. Заменить силовой транзистор. На мой взгляд смысл не очень большой, разве что из-за более удобного размещения на радиаторе, что я и планирую.
2. Выходную диодную сборку поставить на больший ток, меньше нагрев, выше КПД.
3. Убрать транзистор защиты от переполюсовки, меньше будет греть плату под силовым транзистором преобразователя и также поднимет КПД
4. Перенести резистор, который стоит параллельно выходу, куда нибудь подальше, чтобы уменьшить подогрев платы.
5. Заменить конденсаторы, особенно развязывающий конденсатор, который стоит между дросселями, на фирменные с меньшим ESR. Может помочь как в плане КПД, так и уменьшения пульсаций.
6. Заменить выходной дроссель на другой, рассчитанный на больший ток, также немного может уменьшить нагрев.
7. Заменить дроссели преобразователя также на более «высокотоковые», меньше нагрев, выше КПД.

Конечно внимательный читатель задаст вопрос, а имеет ли смысл такой преобразователь при настолько большом количестве доработок. На мой взгляд, да, сама идея неплохая, но вот имеет ли это экономический смысл, не уверен.

Вообще сама идея применения SEPIC здесь была изначально неправильна, особенно это видно по падению КПД при высоком водном и низком выходном напряжении. Если уж хотелось сделать реально красиво и правильно, то я бы на месте производителя применил LTC3780. Это не SEPIC, но при этом универсальный преобразователь с неплохим КПД при этом лишенный недостатков SEPIC, например по уровню пульсаций — обзор.

На этом у меня все, блок питания скорее всего доработаю когда закончится карантин или если найду дома нужные мне детали, те же конденсаторы и подходящий транзистор, также нужен будет второй вентилятор такого же размера, вот его точно дома нет :(