Конвертеры DC-to-DC с двухполярным выходом

Часть 2. Испытание модулей DD1718PA и DD1912PA

Методика испытаний

Принимая во внимание, что обсуждаемые модули выпускаются в различных вариантах исполнения, отличающихся выходными напряжениями (всего 14 вариантов), а также тот факт, что использоваться в реальной жизни они могут при самых разнообразных сочетаниях входных и выходных напряжений и при различных соотношениях нагрузок по выходам +U и -U, получить исчерпывающие данные об их поведении во всех мыслимых и немыслимых ситуациях вряд ли возможно. Если попытаться это сделать, то этот обзор рискует превратиться в многотомный труд с сотнями таблиц, графиков и осциллограмм, что совершенно не входит в планы автора и едва ли обрадует читателей. Поэтому мы ограничимся минимумом исследований, выбрав следующие объекты и режимы измерений:

• Испытывались только варианты модулей с выходным напряжением ±15В.
• Измерения проводились при неизменном входном напряжении +9В, то есть оба модуля работали в режиме повышающего конвертера. Возможность работы модуля DD1912PA в режиме понижения напряжения не проверялась.
• Для DD1718PA были исследованы зависимости выходных напряжений и уровней пульсаций на выходах от токов нагрузок в случаях (а) нагрузки только в канале +U, (б) нагрузок в обоих каналах одновременно, распределенных в соотношении 5:1, например, 100 мА в канале +U и 20 мА в канале -U.
• Для DD1912PA те же зависимости измерялись в случаях (а) нагрузки только в канале +U, (б) нагрузок в обоих каналах одновременно, распределенных в соотношении 1:1.

Автор предполагает, что именно такие режимы являются наиболее типичными для большинства применений этих модулей, однако, если кто-то из читателей возьмет на себя труд провести испытания этих конвертеров в каких-либо других режимах и пришлет получившиеся результаты, то мы их с удовольствием здесь опубликуем.

Прежде чем приступать к обсуждению результатов испытаний необходимо сделать одно практическое замечание, которое вы найдете под спойлером ниже.

О поврежденных ферритовых сердечниках дросселей

Важно! Получив посылку с модулями из интернет-магазина, обязательно проверьте сердечники дросселей на наличие сколов, трещин и других механических дефектов. Модули чаще всего бывают упакованы в простые пластиковые пакетики и не имеют никакой защиты от механических нагрузок, которые им приходится испытывать в процеессе транспортировки. В результате из десятка приобретенных модулей в лучшем случае пять или шесть доходят в первозданном виде, у остальных верхняя часть ферритового сердечника дросселя имеет сколы.

На фото справа показаны модули DD1718PA в том виде, в каком они обычно приходят по почте. Обратите внимание на отломанные куски феррита у сердечников дросселей. Такие повреждения трагическим образом влияют на характеристики конвертера, потеря даже небольшой части сердечника дросселя резко меняет его параметры, причем, как нетрудно догадаться, меняет их в худшую сторону. Читатели на свой страх и риск могут пытаться использовать такие модули в своих проектах, особенно, если от них не требуется получать выходных мощностей, близких к предельным, однако, надо быть готовым к тому, что стабильность выходных напряжений и к.п.д. модуля ухудшатся, уровень пульсаций повысится, а вдобавок повысится и уровень излучаемых модулем электромагнитных помех.
Отправлять такие поврежденные модули обратно продавцу с требованием возврата денег или замены на новые - не самое лучшее решение. Потеряете массу времени и нервов, а продавец будет упорно вам рассказывать о своей невиновности в том, что почтовые работники ходили ногами по вашей посылке и, в сущности, будет в этом прав. Гораздо проще одновременно с приобретением конвертеров отдельно заказать дроссели для SMD-монтажа типа CD75 индуктивностью 33 мкГн, которые продаются в тех же интернет-магазинах по цене одной порции мороженого за два десятка дросселей. Имея в запасе несколько таких дросселей, вы всегда сможете заменить поврежденные индуктивности и в итоге получите максимум удовольствий от покупки двухполярных конвертеров DD1718PA и DD1912PA даже если по дороге их немного повредят.

Все результаты испытаний, приведенные далее в этом обзоре, получены на модулях, не имеющих никаких видимых повреждений ферритовых сердечников дросселей.

Испытаниям подвергались несколько экземпляров модулей каждого типа, приобретенных в разное время и, возможно, даже изготовленных разными производителями. Однако разброс их параметров оказался небольшим - все экземпляры показали примерно одни и те же результаты, которые и приведены ниже.

Испытываем модуль DD1718PA при нагрузке по каналу +U

Результаты измерений при подключении нагрузки только к выходу канала +U приведены в таблице 3:

Таблица 3. Результаты испытаний модуля DD1718PA. Звездочкой отмечены режимы, для которых ниже под спойлером приводятся осциллограммы пульсаций.

По результатам измерений построен график зависимости выходных напряжений каналов +U и -U от нагрузки на выходе канала +U:

Внимательно разглядывая таблицу и график, можно сделать следующие выводы о работе модуля в режиме нагрузки только по каналу +U:

1. По мере повышения тока нагрузки, напряжение в канале +U падает, а в канале -U - растет. Причем, если в канале +U падение напряжения при изменении тока нагрузки от 0 до 500 мА составляет примерно 3,5%, то в канале -U при тех же условиях напряжение повышается более чем на 20%. Происходит это потому, что сигнал обратной связи для регулировки выходного напряжения снимается с выхода +U и по мере роста нагрузки на этом выходе микросхема XL6007 увеличивает время открытого состояния встроенного MOSFET-ключа в каждом периоде ШИМ для повышения полезной мощности отдаваемой в нагрузку и для компенсации возрастающих потерь в элементах конвертера. При этом по каналу -U полезная мощность не расходуется, поэтому повышение коэффициента заполнения ШИМ приводит к неконтролируемому росту напряжения в этом канале.
   
   Эту особенность модуля DD1718PA надо учитывать, особенно, если там, где вы собираетесь его применить, нагрузка по каналу -U будет незначительна, а в канале +U будут периодически включаться-выключаться мощные потребители (реле, светодиоды, двигатели). В этом случае в канале -U будут происходить значительные скачки напряжения, которые в наихудшем варианте могут превысить 20% от номинальной величины.
   
   
2. Столбец таблицы 3 под названием "к.п.д., %" говорит нам о том, что энергетическая эффективность модуля максимальна в диапазоне токов нагрузки 50-200 мА и плавно снижается за пределами этого диапазона.
   
   
3. И, наконец, в двух правых столбцах таблицы 3 приведены результаты измерения напряжения пульсаций на выходе +U. В одном из них показаны результаты измерений без подключения каких-либо дополнительных элементов на этот выход, в другом - с подключенным к нему электролитическим конденсатором емкостью 100 мкФ.
   
   Данные в этих столбцах, изображенные шрифтом черного цвета, показывают размах "нормальных" пульсаций, то-есть пульсаций с частотой переключения встроенного MOSFET ключа микросхемы XL6007 (400 кгц). Также видно, что в некоторых режимах на выходах конвертера к этим нормальным пульсациям добавляются "аномальные" пульсации пилообразной формы (выделены в таблице шрифтом красного цвета) и искаженной синусоидальной формы (выделены шрифтом зеленого цвета). Все эти пульсации и их осциллограммы будут подробнее рассмотрены под спойлером ниже, а пока сделаем предварительный вывод о том, что для значительного снижения уровня пульсаций и для предотвращения выхода конвертера в режим аномальных пульсаций при больших токах нагрузки, весьма желательно устанавливать на выход +U модуля дополнительный конденсатор емкостью не менее 100 мкФ.

Форма и размах пульсаций на выходе +U модуля

Особенности пульсаций на выходе модуля DD1718PA лучше всего видны на показанных ниже трех осциллограммах, снятых без подключения дополнительного конденсатора при токах нагрузки 10 мА, 100 мА и 300 мА соответственно. На рисунках 4-6 канал 1 осциллографа (желтая линия) подключен на выход +U модуля, а канал 2 (голубая линия) подключен к выводам 5 и 6 микросхемы XL6007, то-есть к стоку встроенного в микросхему MOSFET ключа.

При малых токах нагрузки микросхема XL6007 переходит в режим прерывистой генерации, вырабатывая пачки импульсов с частотой 400 кГц (в данном случае - 5 импульсов), а затем "замирая" на некоторое время, пока конденсатор на выходе модуля разряжается через нагрузку (рис. 4). В результате на выходе кроме нормальных пульсаций с частотой переключения MOSFET транзистора появляется еще и пилообразная составляющая, которая имеет гораздо более низкую частоту (24 кГц на рис. 4) и в несколько раз большую амплитуду чем "нормальные" пульсации.

Как видно из данных крайней правой колонки таблицы 3, подключение дополнительного конденсатора принципиально не меняет режим работы конвертера а только понижает частоту пилообразной составляющей. При токах нагрузки менее 30 мА микросхема упорно продолжает работать в режиме прерывистой генерации какую бы емкость на выход модуля ни подключали.

Такой режим работы конвертера является весьма нежелательным, особенно, если от него предполагается питать какое-либо звукотехническое устройство, поскольку частота пилообразной составляющей пульсаций может находиться в звуковом диапазоне и, проникая в усилительный тракт устройства, смешиваться там с полезным сигналом.

При токах нагрузки свыше 30 мА прерывистая генерация прекращается, ключевой MOSFET транзистор работает непрерывно на своей штатной частоте 400 кГц, осуществляя регулирование выходного напряжения с помощью ШИМ (рис. 5). В этом режиме к.п.д. модуля максимален, уровень пульсаций минимален и может быть еще значительно снижен при подключении дополнительного конденсатора на выход модуля.

При отсутствии дополнительного конденсатора на выходе модуля и токах нагрузки 150 мА и выше конвертер переходит в еще один "аномальный" режим, осциллограмма которого показана на рис.6. К нормальным пульсациям с частотой 400 кГц в этом режиме прибавляется составляющая в форме искаженной синусоиды, имеющая в несколько раз более низкую частоту (28 кгц на рис. 6) и в несколько раз больший размах (в данном случае - более 1 В). Причина появления этой аномальной пульсации остается неясной (если кто-то из читателей имеет свои соображения на эту тему - пишите). Однако, как видно из крайней правой колонки таблицы 3, мы легко можем избавиться от такого нежелательного режима работы конвертера, подключив дополнительный конденсатор на его выход.

И последнее, что необходимо упомянуть в этой части обзора, это нагрев элементов при работе конвертера. Точных измерений температуры при различных нагрузках автор не производил, но было замечено, что едва ощутимый нагрев дросселя и микросхемы начинает появляться при токе около 100 мА. При дальнейшем увеличении тока нагрузки нагрев увеличивается, причем микросхема и дроссель греются примерно в одинаковой степени. Наконец при токе 500 мА нагрев достигает такой величины, что прикасаться пальцем к этим элементам становится проблематично. Во избежание безвременной их кончины измерения при более высоких токах нагрузки не производились.

Испытываем модуль DD1718PA при нагрузке по обоим каналам

Как уже упоминалось ранее, испытывать модуль DD1718PA мы будем при таком соотношении нагрузок по каналам +U и -U, на которое он был рассчитан его разработчиками и производителями. А именно, ток нагрузки по каналу +U будет в этом тесте в 5 раз превышать ток нагрузки по каналу -U. Подобная ситуация довольно часто встречается на практике, например, если в состав питаемого устройства входят несколько микросхем операционных усилителей, потребляющих одинаковые токи по +U и -U, а также еще какое-то количество аналоговых и цифровых микросхем, транзисторных каскадов и элементов индикации, питающихся только однополярным напряжением от +U. В такой ситуации устройство как раз и будет потреблять от +U в несколько раз больший ток чем от -U.

Результаты измерений показаны в таблице 4:

Таблица 4. Результаты испытаний модуля DD1718PA при нагрузке по обоим каналам.

Сравнивая эту таблицу с предыдущей, следует обратить внимание на следующие особенности:

1. Точность поддержания выходных напряжений в этом тесте оказалась значительно лучше, чем при нагрузке только по каналу +U. Особенно это касается канала -U, где уже не происходит такого неконтролируемого роста выходного напряжения по мере увеличения нагрузки, как мы наблюдали в таблице 3. При изменении тока нагрузки по каналу +U от 0 до 300 мА и соответствующей нагрузке по каналу -U выходное напряжение канала -U снижается всего на 3%, а не растет на 20%, как мы видели ранее.
2. К.п.д конвертера изменяется в тех же пределах, что и при нагрузке по одному каналу и достигает максимальных величин (86-87%) в диапазоне токов нагрузки 100-250 мА по каналу +U.
3. Характер и размах напряжений пульсаций в целом не изменились по сравнению с предыдущим тестом. Для улучшения восприятия результатов измерений автор не стал добавлять в таблицу 4 данных об "аномальных" составляющих пульсаций, как это было сделано в таблице 3 красным и зеленым шрифтом, а указал здесь размах пульсаций только для "нормальной" составляющей с частотой 400 кГц. Однако, надо понимать, что аномальные пилообразные и синусоидальные пульсации точно также появляются и при нагрузке конвертера по обоим каналам и имеют примерно такие же величины. И также, как и в предыдущем тесте, пилообразную составляющую пульсаций, возникающую при малых токах нагрузки, невозможно устранить, подключая на выход модуля дополнительный конденсатор большой емкости, а синусоидальную составляющую, возникающую при больших токах нагрузки, устранить таким способом можно.

Что касается нагрева элементов, то при нагрузке 300 мА по каналу +U и 60 мА по каналу -U (суммарно около 5.4 Вт по обоим каналам) он достиг такой величины, что автор предпочел не рисковать и прекратил дальнейшее надругательство над модулем конвертера. Возможно, ради науки следовало бы пойти на жертву и спалить пару-тройку модулей для того чтобы узнать, какую максимальную мощность они способны отдать в нагрузку, но автор предоставляет эту возможность читателям в качестве самостоятельного упражнения. Напишите, если вы такой эксперимент проведете.

В следующей части этого обзора мы подвергнем аналогичным испытаниям модуль DD1912PA. Читать далее...