DC-DC 3.6-24V -> 24V на базе XL6007

Понадобилось мне для одного из моих устройств получить 24В при входном от 12 до 24В. Т.к. мощность небольшая (потребление до 200мА) — то решил сделать на XL6007 производства китайской компании XLSEMI.
Цель эксперимента — протестировать на граничных режимах для проверки «что где греется» для последующего возможного переноса на бОльшую (в смысле наполнения) плату. Что из этого получилось — далее (внимание! много фото!)…

Один из основных вопросов, который меня волновал — насколько можно уменьшить размер дросселей. Ведь при выходном напряжении 24В и токе до 200мА и входном напряжении от 12В — входной ток должен быть до 500мА (теоретически). Значит, катушки теоретически можно ставить совсем миниатюрные, что ощутимо уменьшает размер занимаемого места…

Но обо всем по-порядку…

Для начала — краткая характеристика XL6007:

• Wide 3.6V to 24V Input Voltage Range
• Fixed 400KHz Switching Frequency
• Maximum 2A Switching Current
• Internal Optimize Power MOSFET
• High efficiency up to 90%
• Built in Soft-Start Function
• Built in Thermal Shutdown Function
• Built in Current Limit Function

Микросхема позволяет получить на выходе до 60В, может работать как на повышение (Boost) входного напряжения, так и в комбинированном режиме (SEPIC Buck-Boost) или в качестве инвертирующего конвертера. Подробнее — datasheet.

При 24В на выходе максимальный ток — 300мА, что для поставленной задачи вполне вписывается в необходимые рамки. Насколько характеристики из даташита соответствуют реальным — и попытаемся выяснить в дальнейших тестах.

Для начала решил сделать небольшую плату для экспериментов. Т.к. не хотел ЛУТить (да и никуда не спешил), то решил пожертвовать несколькими долларами и заказать на JLCPCB. На третий день после оплаты (изготовление пяти плат — $2 + $6 доставка) я получил трек Почты Сингапура и через две недели забрал с почты свои платы.

Параллельно на LCSC (которая входит в ту же группу компаний) заказал ряд деталей, включая и обозреваемую микросхему. Доставка обошлась бесплатно, т.к. при условии оформления заказа во время изготовления плат предоставляется скидка на доставку.

Интересно, что отправляют все-равно разными посылками (хотя логично было бы отправлять одной). Ну и ладно…
Сами детали я получил раньше плат — через 9 дней после отправки.

Обе посылки пришли в брендированных коробках, которые были упакованы в белые полиэтиленовые пакеты:







Сами платы выполнены довольно неплохо, но на лицевой стороне добавлена информация заказа:



На нижней части оставил несколько открытых полигонов (без нанесения маски) для лучшего теплоотвода и соединил несколькими сквозными отверстиями:



Вместе с платами бонусом шла «одноразовая» лупа-линейка из тонкого пластика:



Практическое применение данной линейки сомнительное — она, скорее, выступает своеобразным рекламным комплиментом:



DC-DC преобразователь выполняется по следующей схеме:



Резисторы R1 и R2 отвечают за выходное напряжение: Vout = 1.25 * (1 + R2/R1)
В моем случае необходимые номиналы для получения 24В — 2.7кОм и 49.9кОм (они же и были заказаны на LCSC вместе с микросхемами), что соответствует выходному напряжению 24.4В.
Вывод микросхемы «1» (EN) судя по даташиту можно оставить в «воздухе» (Drive EN pin low to turn off the device, drive it high to turn it on. Floating is default high).

Список компонентов:

IC1 — XL6007E1 — $1.53 за 5шт
R1 — SMD 0603, 2K7 ±1% — $0.08 за 100шт
R2 — SMD 0603, 49K9 ±1% — $0.08 за 100шт
L1, L2 — SMD 6x6x4.7mm, 47uH 1.2A — $0.5 за 10шт
C1 — SMD 0805, 10uF 35V — $3.02 за 50шт
C2, C3 — SMD 0603, 1uF 35V — $0.37 за 20шт
C4 — Polymer, 100uF 35V — $1.94 за 10шт
C5 — SMD 1206, 22uF 35V — $3.78 за 10шт
D1 — SMB, SK34 — $0.3 за 10шт

В пересчете на одно изделие стоимость деталей получается $1,06. Такая стоимость — при заказе минимального количества деталей. Естественно, что при увеличении количества стоимость ощутимо уменьшается.

Цены на сайте постоянно меняются. Например, на момент написания обзора стоимость C1 (10uF 35V) составляет $2.97 за 50шт (на момент заказа — $3.02).

С конденсатором C5 (22uF 35V) произошел небольшой «прокол». Изначально в корзину положил размер 0805. После отправки заказа на изготовление платы зашел в корзину с деталями и увидел, что данный размер закончился. Поэтому взял 1206 (хотя, как потом выяснил, можно заказывать детали, которые отсутствуют на складе, но присутствуют в поиске на сайте — тогда срок отправки может увеличиться на несколько дней или вам предложат замену).

Начинаем монтаж…



В процессе выяснилось, что я забыл купить D1 — SK34. Посмотрел, что есть под рукой — попался SS54. Его и поставлю.
Кроме того решил выходной конденсатор 100uF поменять на 220uF:



Припаиваю провода и перехожу к испытаниям.



Первое включение. Волнуюсь — ничего ли не напутал? :) Все в порядке — работает!



Проверка на холостом ходу.
Вкратце: на диапазоне входного напряжения 4В...24В — выходное стабильно 24.4В.
При повышении входного до 25В — выходное 24.5В. Больше 25В на вход не подавал: во-первых, по даташиту максимум на входе — 24В (абсолютный максимум — 26В), а во-вторых, мой БП выдает максимум 25.51В :)



При понижении напряжения на входе начиная с 3.8В и ниже — начинается падение выходного с 24.3В до 22В и ниже…



Собственное потребление тока — пропорционально разнице входного и выходного напряжений (чем выше разница — тем выше потребление). При 24В на выходе потребление тока составляет от 3.5мА до 9мА:



Стало интересно — а как микросхема отнесется к замыканию на выходе? Оказалось — нормально, но не совсем…
Кратковременного замыкания микросхема даже не заметила. Решил усложнить «жизнь» конвертеру — сделал серию быстрых замыканий (штук 10 за секунду). «Волшебного дыма» не появилось, чип нагрелся до 50С:



А вот с работоспособностью все значительно хуже (вернее, будет правильно сказать, что работоспособность исчезла вообще) — на холостом ходу напряжение на выходе начало прыгать от 7 до 9В, а при малейшей нагрузке — падать до 2-3В.

Так и осталось загадкой, является ли возобновление работоспособности после кратковременного замыкания выхода «фишкой» чипа или недокументированным совпадением.

Перепаиваю чип и начинаю тестирование с нагрузкой. Напряжение при подключении нагрузки уменьшилось с 24.4В до 24.3В.
Установил ток потребления нагрузки 100мА и начал записывать в табличку значения входного тока при различных входных напряжениях. И тут меня ждал сюрприз: несмотря на указание в даташите минимального входного напряжения 3.6В, чип «завелся» только с 4.8В — до этого значения напряжение на выходе «плавало» от 18В до 20В. Температура чипа при этом поднялась до 95С. Поэтому выключил, охладил и начал с 8В:



На диапазоне входного напряжения от 8В до 22В температура чипа стабильно держалась до 55-60С на протяжении 10 минут. При входном напряжении выше 24В температура чипа через 5 минут работы начала расти до 70-80С, потребление тока также начало расти и КПД стал еще ниже. Учитывая, что по даташиту максимальное входное напряжение составляет 24В решил ограничиться «потолком» 24В для построения более точного графика КПД при различном токе нагрузки.

Пульсации на выходе при входных напряжениях 8В, 16В и 24В (с током нагрузки 100мА):



КПД при токе нагрузки 200мА:



При 8В на входе температура чипа начала стремительно расти и достигла 105С. КПД при этом значительно упал.



При повышении входного напряжения до 12В температура микросхемы вошла в «норму»:



Пульсации на выходе при входных напряжениях 8В, 16В и 24В (с током нагрузки 200мА):



Итоги.
Для моих целей (получить 24В до 200мА при входном напряжении от 12 до 24В) — микросхема подходит.
Но настораживает работа при входном 24В (падение КПД, нагрев).
Если кто-то в комментариях предложит чип для построения DC-DC преобразователя по технологии SEPIC, максимальное входное напряжение которого выше 24В (например, до 36В) в корпусе SOT23-6 или SOP-8 — буду благодарен.