Конвертеры DC-to-DC с двухполярным выходом

Публикация 10.07.2023

Начальник

Часть 1. Схемы и характеристики модулей DD1718PA и DD1912PA

В этом обзоре речь пойдет о широко распространенных модулях преобразователей однополярного постоянного напряжения в двухполярное DD1718PA и DD1912PA. Производятся они различными китайскими предприятиями, иногда имеющими имя, но чаще безымянными, и продаются в популярных интернет-магазинах по весьма доступным ценам.

Используются эти модули в основном в тех случаях, когда в аппаратуре, питающейся от однополярного источника, чаще всего от батареи напряжением 3.7 В или 9В, необходимо получить более высокое и при этом двухполярное по отношению к общему проводу напряжение, например, +12В/-12В для питания микросхем операционных усилителей или для других подобных потребителей.

Как это часто бывает с продукцией предприятий из Юго-восточной Азии, интернет магазины продают эти модули в огромных количествах, а вот сделать нормальную документацию ни изготовители, ни продавцы не могут и даже электрическую схему не предоставляют. Поэтому автор и решил написать этот обзор, собрав, по возможности, всю информацию об этих модулях, которую можно найти в интернете, исправив многочисленные содержащиеся в этой информации ошибки и дополнив её собственными результатами испытаний.

Сходства и отличия

Оба модуля построены на базе одной и той же микросхемы XL6007, производимой компанией XLSEMI из Шанхая, оба относятся к классу неизолированных конвертеров. Это означает, что в отличие от конвертеров, в которых входные и выходные цепи изолированы друг от друга при помощи трансформатора, в обсуждаемых модулях используются бестрансформаторные схемы, в которых гальваническая развязка входа и выхода отсутствует.

Каждый из модулей не имеет регулировки выходных напряжений и поэтому выпускается в нескольких вариантах, отличающихся фиксированной величиной этих напряжений. На фото слева показана нижняя сторона платы модуля DD1912PA с отметкой "12", означающей выходное напряжение ±12 В.

Аналогично, на фото справа мы видим нижнюю сторону платы модуля DD1718PA с отметкой "15". Далее, в разделе "Установка выходных напряжений" мы увидим, что при необходимости выходное напряжение модуля может быть легко изменено на любое другое в диапазоне ±5...±24 В.

Кроме этого есть общие характеристики, определяемые использованной в обоих модулях микросхемой XL6007 – это собственное потребление тока модулем равное 4-5 мА и фиксированная частота преобразования, определяемая встроенным генератором микросхемы и равная 400 кГц.

Этим сходство DD1718PA и DD1912PA и ограничивается, во всем остальном эти модули существенно отличаются друг от друга и по своим схемотехническим решениям, и по своим параметрам.

Технические характеристики модулей

Независимо от того, какое именно предприятие произвело на свет конкретный экземпляр модуля, все поставщики обещают, что их изделия будут обладать электрическими параметрами, показанными в таблице ниже.

Модель конвертера		Электрические параметры
Тип	Выходное напряжение	Входное напряжение	Макс. ток на выходе +U	Макс. ток на выходе -U	Мин. ток на выходе +U
DD1718PA повышающий SIMO конвертер	±5В	3,0В . . . 4,5В	1,0А	0,20А	-
	±6В	3,0В . . . 5,0В	1,0А	0,20А	-
	±9В	3,3В . . . 8,0В	0,8А	0,18А	-
	±12В	3,3В . . . 11,0В	0,7А	0,15А	-
	±15В	3,3В . . . 13,0В	0,6А	0,12А	-
	±24В	3,6В . . . 18,0В	0,4А	0,10А	-
DD1912PA повышающий- понижающий SEPIC конвертер	±5В	3,0В . . . 24В	0,8А	0,8А	0,1А
	±6В	3,0В . . . 24В	0,7А	0,7А	0,1А
	±9В	3,0В . . . 24В	0,6А	0,6А	0,04А
	±10В	3,0В . . . 24В	0,55А	0,55А	0,03А
	±12В	3,0В . . . 24В	0,46А	0,46А	0,03А
	±15В	3,3В . . . 24В	0,41А	0,41А,	0,03А
	±18В	3,7В . . . 24В	0,31А	0,31А	0,03А
	±24В	3,7В . . . 24В	0,25А	0,25А	0,03А

Таблица 1. Электрические параметры модулей, обещанные их продавцами.

Разглядывая эту таблицу, можно заметить, как минимум, следующие отличия между DD1718PA и DD1912PA:

DD1718PA является повышающим конвертером, то есть его входное напряжение обязательно должно быть ниже его выходного положительного напряжения. Например, для получения на выходе напряжения ±15В, входное напряжение не должно превышать +13В. У DD1912PA нет такого ограничения, он одинаково успешно работает как с понижением, так и с повышением входного напряжения.
DD1718PA имеет несимметричный выход в том смысле, что максимальные токи нагрузки по положительному и по отрицательному выходному напряжению отличаются примерно в 5 раз, тогда как у DD1912PA допустимые токи в нагрузках одинаковы.
DD1718PA может работать при отсутствии нагрузки на выходе положительного напряжения, питая только потребителей, подключенных к выходу отрицательного напряжения, в то время как DD1912PA требует обязательного наличия некоторой минимальной нагрузки на выходе положительного напряжения. Именно поэтому в его технических характеристиках специально оговаривается минимальный ток нагрузки на выходе “+U”, необходимый для нормальной работы модуля.

Далее мы увидим, насколько эти декларируемые продавцами характеристики соответствуют действительности, а сейчас перейдем к рассмотрению принципиальных схем модулей.

Принципиальные схемы модулей

Принципиальная электрическая схема модуля DD1718PA показана на верхнем рисунке, а модуля DD1912PA – на нижнем.

Рис.1. Модуль DD1718PA. Схема нарисована автором методом изучения "живой" платы.

Рис.2. Модуль DD1912PA. Схема позаимствована в интернете с небольшими поправками автора.

Схемы модулей отличаются принципом формирования выходных двухполярных напряжений. Модуль DD1718PA относится к типу SIMO (Single-Inductor Multiple-Output – одна индуктивность, несколько выходов), а модуль DD1912PA – к типу SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter – несимметричный конвертер с первичной индуктивностью). По сути дела, первый из них представляет собой обычный повышающий (boost) конвертер для получения положительного выходного напряжения с добавленным к нему выпрямителем с удвоением напряжения для получения отрицательного. Второй же имеет более сложную структуру, требующую использования, как минимум, двух (а в нашем случае даже трех) индуктивностей, но, благодаря этому, может работать и в качестве понижающего (buck), и в качестве повышающего (boost) преобразователя.

Принципы работы SIMO и SEPIC конвертеров детально описаны во множестве доступных в интернете публикаций, поэтому мы здесь не будем подробно их излагать. Отметим только, что из-за использования трех дросселей и пяти электролитических конденсаторов большой емкости, габариты модуля DD1912PA получились несколько больше, а цена – несколько выше, чем габариты и цена DD1718PA. Последний обходится всего одним дросселем и многослойными керамическими конденсаторами (MLCC) емкостью 10 мкФ.

Установка выходных напряжений

У обоих модулей микросхема XL6007 стабилизирует только выходное положительное напряжение, а величина напряжения на выходе “-U” определяется по принципу “как получится”. Далее мы увидим, что, если мы не ставим задачу иметь на обоих выходах строго одинаковые напряжения, то получается более-менее неплохо. Если же требования к точности установки и поддержания выходных напряжений достаточно высокие и проект, в котором предполагается использовать модуль, не допускает большого разбаланса напряжений, то можно воспользоваться советом под спойлером ниже:

Как повысить качество выходных напряжений модулей?

Под “качеством” в данном случае понимается:

1. Равенство абсолютных величин напряжений на выходах “+U” и “-U”.

2. Их меньшую зависимость от токов потребления, особенно, в канале “-U”, который, как мы уже отметили, не входит в контур регулирования и потому имеет гораздо худшую чем в канале “+U” стабильность выходного напряжения.

3. Снижение уровня пульсаций выходных напряжений, как на основной частоте переключения силового ключа микросхемы XL6007 (примерно 400 кГц), так и на других частотах, о чем подробнее будет сказано далее.

Решить одновременно все три задачи можно, установив на выходах модуля трехвыводные линейные регуляторы типа LM78xx/LM79xx или аналогичные. При этом надо выбрать вариант конвертера с некоторым запасом по напряжению, чтобы линейному регулятору оставалось, что регулировать. Например, необходимо получить на выходе источника питания напряжение ±12В. Выбираем вариант модуля DD1718PA или DD1912PA с напряжением ±15В и подключаем на его выход “+U” микросхему LM7812, а на выход “-U” – LM7912. Разности напряжений в 3 В между входом и выходом микросхемы линейного регулятора вполне хватает для ее успешной работы, а мы в результате решаем все три задачи повышения качества выходных напряжений.

Разумеется, как это всегда бывает в технике, любые улучшения имеют и свою оборотную сторону. В данном случае, используя регуляторы, работающие в линейном режиме, мы снижаем к.п.д. источника питания, а это может быть довольно неприятно, особенно в аппаратуре с батарейным питанием.

Для стабилизации положительного выходного напряжения обоих модулей оно подается на вход FB (вывод 3) микросхемы XL6007 через делитель R1-R2. Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения 1.25 В, и компаратор, который сравнивает это опорное напряжение с напряжением, поступающим с делителя. Зная величину опорного напряжения, несложно посчитать, каким должно быть соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2, чтобы получить необходимое выходное напряжение.

Если не изменять сопротивление “нижнего” резистора делителя R2 = 2 кОм, то выходное напряжение модуля будет зависеть только от сопротивления резистора R1 и его можно будет вычислить по формуле:

U_out = 1,25 * (1 + R1/2)

откуда несложно решить обратную задачу – какое сопротивление R1 нужно установить, чтобы получить требуемую величину напряжения на выходе:

R1 = 2 * (U_out / 1,25 – 1)

Пользуясь этой формулой, найдем величины сопротивлений резистора R1 для всех выпускаемых вариантов модулей:

Выходное напряжение, В	Сопротивление резистора R1, кОм
±5	6,0
±6	7,6
±9	12,4
±10	14,0
±12	17,2
±15	22,0
±18	26,8
±24	36,4

Таблица 2. Значения сопротивления резистора R1 для вариантов модулей.

Производители модулей DD1718PA и DD1912PA именно так и поступают – все варианты модулей, рассчитанные на различные выходные напряжения, идентичны по схеме и по номиналам всех элементов и отличаются только сопротивлением резистора R1. Это означает, что, если в вашем распоряжении имеется любой из перечисленных вариантов модуля, то заменив в нем один резистор, вы всегда сможете получить модуль с любым другим выходным напряжением. На рисунке слева можно видеть увеличенный фрагмент платы модуля DD1912PA с резисторами R1 сопротивлением 27 кОм и R2 сопротивлением 2 кОм, из чего можно сделать вывод, что на фото показан модуль с выходным напряжением ±18В.

На этом заканчиваем обсуждение схемотехнических особенностей конвертеров и переходим ко 2-й части обзора, где подвергнем их испытаниям.