Огляд DC-DC Step-down Buck перетворювачів

• Умови та параметри тестування — У більшості випадків я тестував при вхідній напрузі 20 вольт, а на виході було налаштовано 5 вольт. Тестування завершував при досягненні будь-яким компонентом модуля температури 100 градусів.

• Мінімальне падіння напруги (Dropout Voltage) — це те, наскільки буде мінімальна можлива різниця між напругою на вході і на виході. Наприклад, якщо у нас на вході 12 вольт та мінімальна напруга падіння 0,7 В, то на виході ми не зможемо отримати більше ніж 11,3 В. Доволі часто падіння напруги безпосередньо залежить від струму.

• Струм холостого ходу (Quiescent Current) - це величина струму, який споживає модуль без підключеного навантаження.

• Частота перемикань - це частота, з якою силовий транзистор керує подачею струму на котушку індуктивності. Чим вища частота, тим менші пульсації на виході, що дозволяє використовувати компактніші котушки та конденсатори. Проте є і недолік: з підвищенням частоти зростає нагрів силових транзисторів та рівень високочастотних шумів.

Асинхронні перетворювачі

Асинхронний перетворювач - це класична та проста схемотехніка. У ній струм на котушку подається через активний ключ або замикається через діод від землі, коли ключ закритий.

Саме наявність діода є «слабкою ланкою» цієї схеми. Через фізичні властивості на ньому завжди відбувається падіння напруги, що призводить до неминучих втрат потужності.

Розглянемо приклад: перетворювач видає на вихід 5 В та 5 А, що дорівнює 25 Вт корисної потужності. Якщо падіння напруги на діоді становить 0,5 В, то втрати складатимуть: 0,5 В * 5 А = 2,5 Вт. Тобто ми марно втрачаємо 10% енергії.

І як можна зрозуміти втрати не зникають безслідно, вони перетворються на тепло - компактні smd діоди перегріваються. Для прикладу візьмемо популярний модуль LM2596, у якому встановлено діод Шотткі SS34:

• При струмі 1 А він нагрівається до 50°C.

• При струмі 2,5 А температура сягає 106°C, що вже є критичним показником, близьким до виходу компонента з ладу.

Хоча сама мікросхема теоретично здатна видавати струм 3–5 А, недостатньо потужний діод у дешевих модулях стає обмежувальним фактором.

MP1584

• Мінімальне падіння напруги: від 0,1–0,15 В

• Робоча вхідна напруга: 4,5–28 В

• Частота перемикань: 900 кГц (до 1,5 МГц залежно від налаштування)

• Нагрів:

Ключовою перевагою цього модуля є рекордно низьке споживання струму в режимі холостого ходу. Це робить його цікавим для портативних пристроїв, що працюють від батарейок або акумуляторів, де важливо зберегти заряд у режимі очікування.

LM2596

• Мінімальне падіння напруги: від 0,7 В.

• Робоча вхідна напруга: 4,5 В – 40 В.

• Частота перемикань: 54 кГц. Така низька частота свідчить про те, що чип не оригінальний або перемаркований (всередині кристал від застарілої LM2576). Оригінальна LM2596 має працювати на частоті 150 кГц.

• Нагрів модуля: Характер нагріву залежить від режиму роботи. Якщо різниця між вхідною та вихідною напругою невелика, гріється переважно сама мікросхема "LM2596". У випадках, коли різниця напруг значна, основний нагрів припадає на діод.

XL4015 CV/CC

• Особливості схемотехніки: Головною фішкою цього модуля є повноцінний режим стабілізації струму. Ця логіка реалізована не самим чипом XL4015, а зовнішнім операційним підсилювачем, розпаяним на платі. Це дозволяє використовувати модуль як зарядний пристрій для акумуляторів.

• Захист: Чип оснащено функцією Frequency Foldback. У разі виявлення короткого замикання робоча частота автоматично знижується зі 180 кГц до 48 кГц. Це зменшує струм і тепловиділення, і має врятивати мікросхему.

• Мінімальне падіння напруги: від 0.1в, при 2А - 0.37в

• Робоча вхідна напруга: 8в - 36в

• Частота перемикань: 180kHz

• Нагрів: Тепловий профіль модуля змінюється залежно від навантаження: до 2А найгарячішим елементом є котушка індуктивності, понад 2А починає більше нагріватись діод Шотткі.

XL6019E1 (Buck-Boost модуль)

• Це універсальний Buck-Boost модуль - він автоматично підвищує або понижує напругу для стабілізації виходу.

• Мінімальне падіння напруги: Відсутнє - може працювати, навіть якщо вхідна напруга дорівнює або нижча за вихідну.

• Робоча вхідна напруга: 5 В – 40 В. Увага: якщо подати меньше 4ох вольт, то на виході без навантаження несподівано отримати стрибок напруги до 20-30 вольт.

• Частота перемикань: 180 кГц.

• Нагрів: Знову ж таки, у цьому модулі діод нагрівався набагато швидше за мікросхему. Сам чип XL6019 при струмі 3 А нагрівся лише до 67 градусів.

XL4016E1 CV/CC (зелений з радіаторами)

• У цьому модулі замість одного діода використана потужна діодна збірка. Радіатори встановлено на обох силових елементах — діодній збірці та самому чипі XL4016. Також реалізовано ланцюг обмеження струму на операційному підсилювачі.

• Як і в XL4015, у XL4016 є функція Frequency Foldback (захист частотою при КЗ).

• Мінімальне падіння напруги: від 0,1В при 1А

• Робоча напруга: 8 В – 36 В.

• Частота перемикань: 180 кГц.

• Нагрів:

Синхронні перетворювачі

Як показали попередні тестування, звичайний випрямний діод часто стає “вузьким місцем” схеми через свій нагрів. Щоб вирішити цю проблему, інженери замінили діод на другий MOSFET-транзистор.

Чому це ефективно? У відкритому стані MOSFET працює як звичайний резистор із мізерним опором, це соті або навіть тисячні частки Ома. Як наслідок — втрати енергії та нагрів зменшуються в рази.

Другий транзистор керується інверсним сигналом. Це означає, що коли верхній ключ відкритий - нижній обов’язково закритий, і навпаки. Одночасне відкриття обох транзисторів неприпустиме, бо це призведе до короткого замикання.

Mini360 MP2307:

• Мінімальне падіння напруги: від 0.5в

• Робоча вхідна напруга: 4.75в - 23в

• Частота перемикань: 340кГц

• Нагрів:

Mini560 JW5069A

• Цей модуль має фіксовану вихідну напругу — у мене це було 9,2 В. Змінити її можна, якщо перепаяти резистор R3.

• Мінімальне падіння напруги: від 0.2в

• Робоча вхідна напруга: 4в - 23в

• Частота перемикань: 500 kHz

• Нагрів:

TPS40057

Виробник модуля спробував затерти маркування на мікросхемі, але зробив це недбало.

За останніми цифрами “57” та корпусом TSSOP-16 я вийшов на даташит TPS40057 і перевірив відповідність пінам — усе збіглося.

• Робоча вхідна напруга: 8в - 40в

• Мінімальне падіння напруги: - від 1.5в

• Частота перемикань: 165 кГц (сам чип підтримує до 1 МГц, але на цьому модулі налаштовано саме 165 кГц).

• Нагрів: