Понижайка на 20А, китайский модуль DC-DC

Китайский модуль DC-DC, т.н. - понижайка на 20А, результаты испытаний. Статья спонтанная, сконвертированная из материалов сети Интернет. Полезный контент, который можно использовать в практической работе с электронными устройствами.

Заявленные параметры. Входное напряжение: от 6 В до 40 В постоянного тока (от 10 В до 40 в). Выходное напряжение: 1,2 В до 36 В постоянного тока. Выходной ток: 20А, 15А (рекомендуется). Эффективность: 95% (24В до 12В, 20А). Выходная пульсация: ≤ 50 мВ. Способ подключения: терминал. Защита от короткого замыкания: самовосстановление (не может долгое замыкание). Размер: 60x53x27 мм. Внешне выглядит весьма аккуратно, ничего не болтается, не висит, радиаторы прикручены небольшими винтами, а не висят на выводах компонентов. Есть четыре крепежных отверстия.

Со стороны входа имеется винтовой клеммник, выключатель и светодиод индикации включения. Выключатель коммутирует сигнал управления ШИМ контроллером, клеммник так себе, какой-то «жиденький». Со стороны выхода такой же терминал, рядом два подстроечных резистора для установки выходного напряжения и ограничения тока. Входные конденсаторы 2шт 470мкФ 50 вольт. Выходные конденсаторы 3шт 270мкФ 35 вольт и вполне может статься что оригинал. Преобразователь с синхронным выпрямлением, соответственно на радиаторах установлены два полевых транзистора, а не транзистор + диодная сборка. Транзисторы одинаковые — NCE8290, N-канальные, 82В 90А 8.5мОм, что неплохо.

Компоновка платы модуля не плотная и не очень удачная, поскольку электролитические конденсаторы установлены вплотную к силовому дросселю, который обычно сильно греется. ШИМ контроллер, операционный усилитель, шунт и остальная мелочь расположены снизу платы. Вверху виден ШИМ контроллер — LM25116, ниже шунт 4мОм и ОУ для усиления сигнала с него — LM321.

Из ключевых особенностей ШИМ контроллера — синхронное выпрямление. Вместо диодов использованы полевые транзисторы с малым сопротивлением канала. Следовательно есть ресурс для существенного реального повышения КПД. Предусмотрен встроенный драйвер с током до 3.5А, питание до 42 вольта, настраиваемое ограничение тока и выходное напряжение в диапазоне 1.21-36 вольт. Если коротко, то интересный контроллер и неплохое железо.

В даташите есть схема типового включения контроллера. Ничего необычного, виден как сам контроллер, так и силовые транзисторы, а также токоизмерительный шунт. Кроме того, показаны два примера включения компонентов и в обоих контроллер и силовая часть питаются от разных источников. У обозреваемого преобразователя источник один, что также допускается, но диапазон входного напряжения при этом ограничен максимально допустимым для контроллера 25116  постоянным напряжением 42 вольта.

В реальности параметры выходного напряжения немного хуже. Минимальное доступное напряжение соответствует заявленному, хотя без нагрузки и оказывается в диапазоне примерно 1.24-1.45 вольта. То вот максимальное значение удалось получить не выше 30 вольт. При этом на входе было установлены максимально заявленное в описании напряжение 40 вольт. Вероятно это не ограничение из-за входного напряжения, а следствие не совсем корректно рассчитанного делителя для обратной связи. Потребление модуля в выключенном состоянии – практически нулевое. Во включенном, но без нагрузки в диапазоне 12-24 вольта ток около 20мА, но при входных 36 заметно поднимается и составляет уже 60мА.

Ограничение тока работает, но минимум можно выставить только около 700мА, максимум, что удаётся проверить, 12.2А, выше поднимать не разумно, т.к. предохранители к мультиметру стоят дорого. При слишком больших значениях тока преобразователь заметно пищит.

Далее проверена точность поддержания напряжения при токах нагрузки от 5 до 20А. Для начала выставлены 5 вольт на выходе. Затем измерены значения выходного напряжения при токах 5, 10, 15 и 20А. Мультиметр подключен к проводникам печатной платы под клеммником. В диапазоне токов 0-20А просадка напряжения составила 0.12 вольта. Это не плохо, но при малых выходных напряжениях просадка заметна.

Такая же проверка, но при выходном 12 вольт, входное было 24 вольта, при токах 5, 10, 15 и 20А. Имеем ту же разницу в 0.12 вольта, можно предположить, что есть проблема с корректностью разводки печатной платы. Далее следует отметить, что пока преобразователь испытывался в разных режимах, было замечено, что появился нагрев до высоких температур, причем предварительные тесты не заняли сколько-нибудь продолжительного времени.

Кроме того, установлена заметная зависимость КПД от входного напряжения, а точнее, от разницы вход/выход. Для примера, если на входе 12 вольт, а на выходе 5 вольт и ток 20А, при этом преобразователь потребляет 114.5Вт. При 24 вольта по входу уже 117.3Вт, а если поднять входное до 36 вольт, то еще больше, 121.6Вт. Т.е. при выходном 5 вольт 20А и изменении входного напряжения в диапазоне 12-36 вольт имеем от 114.5 до 121.6Вт. Если входное будет 10-14 вольт, то режимы приемлемы, но возможно кому-то будет критично.

КПД измерялся в нескольких режимах, ниже три графика для выходного 5 вольт и входного 12(1)VDC, 24(2)VDC и 36(3)VDC, по горизонтали ток нагрузки от 2.5 до 20А кратно 2.5А. Результаты приближенные, так как входная мощность оценивалась по показаниям блока питания, а значит влияло падение напряжения в проводах от блока питания к модулю преобразователя. Есть вероятность, что в реальности КПД на 1% выше. По итогу этапа представлены графики, отражающие результаты описанного испытания КПД DC-DC преобразователя при изменении тока нагрузки. 

Ниже представлены ещё три графика, также отражающие результаты испытания КПД при изменении тока нагрузки. Режимы другие. Пара графиков с выходным 12 вольт и входным 24VDC-(1) и 36 VDC-(2). А также тест с выходным напряжением 24VDC и входным 36VDC-(3). В тесте 36-24 вольта ток нагрузки был 15А и выходная мощность почти 360Вт. И это при наибольшей заявленной 300Вт.

Дальнейшие испытания под нагрузкой показали, что модуль преобразователя очень сильно греется. Для проверки проведен тест при выходном напряжении 5 вольт, входном 12 вольт и токах нагрузки 10 и 15А. Вероятно этот один из оптимальных режимов. В других нагрев может быть еще больше. На момент начала теста преобразователь был уже немного прогрет. Через 20 минут при токе 10А нагрев в пределах нормы. Еще через 20 минут при токе 15А нагрев стал более заметным, максимальную температуру имел входной транзистор — 106 градусов. По результатам теста можно уверенно рекомендовать, - ограничивать предельный выходной ток и применить активное охлаждение модуля.

На картинке показаны результаты нагрева, зарегистрированные при помощи тепловизора. Нужно заметить, что все китайские модули имеют один и тот же недостаток - недостаток алюминия. Для преодоления проблемы перегрева и выгорания печатных плат очень рекомендую переделывать модуль с самого начала, на этапе планирования их применения. Переделка выполняется следующим образом. Вначале исхитряются, отвинчивают транзисторы от радиаторов. Затем выпаивают из платы транзисторы и диоды, которые закреплены на радиаторах. А затем уже - безвозвратно удаляют (выбрасывают) эти самые радиаторы.

Пример фотографий по переделке DC-DC-модуля показан ниже. Такой вариант модернизации китайской платы проверен неодноктарно и обеспечивает стабильную и надежную работу импульсного преобразователя при конских нагрузках.

В ходе доработки демонтированные силовые полупроводники возвращают на платы, но впаивают их с изнанки (!!!) платы. Делают это очень акккуратно, сгибая ножки так, чтобы металлокерамические корпуса транзисторов затем можно было бы прикрепить через слюду к подошве единого здоровенного радиатора. Здесь удобно применять мощные радиаторы от 478 процессора. А еще лучше - дополнительно оснащать радиаторы штатными, хорошо обслуженными, вентиляторами.

Далее проведены испытания модуля на холостом ходу и под нагрузкой, для оценки пульсаций. В общих чертах результат неплохой. Режимы испытаны при выходном напряжении 5 вольт, и при входном 12VDC. Ниже показаны скриншоты для этих четырех графиков - осциллограмм.

Экран 1. Без нагрузки. Экраны 2, 3, 4 - при токах 5, 10 и 20А.

Легко заметить, что в спектре пульсаций присутствуют «иголки», но так как тест производился с насадкой на измер. щуп (1мкФ+0.1мкФ), то их не видно. Ниже показаны осциллограмма с прямым включением щупа при токе 20А и соотношении вход выход 12-5.

Далее скриншоы испытаний при тех же токах нагрузки, 5, 10 и 20А, но при ином соотношении вход/выход, слева 30-5 вольт, справа 24-12 вольт.

Если присмотреться к осциллограммам, то можно заметить что «горизонт завален», т.е. каждый последующий импульс выше или ниже предыдущего. Этот момент может быть интересен, поэтому было увеличено время развертки. В итоге получена не очень благополучная картинка. Видно, что общий размах пульсаций около 80мВ, проявляется такое при выходном напряжении 12 вольт и выше, а также при токах около 15А и более, нижняя осциллограмма сделана при выходном напряжении 12 вольт, входном 24 вольта и токе 15А.

По результатам испытаний понижайки можно сформулировать несколько замечаний.

1. Явно присутствует повышенный нагрев модуля. Токи величиной более 15А по выходу от типового преобразователя без дополнительного охлаждения, длительно не получить. И это указано в описании. Даже значение 15А – близко к пределу, особенно при большой разнице вход/выход.

2.Регулировка тока возможна только свыше 0.7А

3.Выходное напряжение модуля регулятора - до 30 вольт, вместо заявленных 36.

4.Входные конденсаторы невысокого качества.

5.Клеммники слабые, особенно под заявленные 20А по выходу.

В итоге можно заключить: производитель использовал неплохую схемотехнику и современную элементную базу. В результате получен преобразователь среднего качества, непременно нуждающийся в доработке напильником. Информация может быть полезной, спасибо неизвестному автору. 

                                       Евгений Бортник, декабрь 2025