Przetwornice dc-dc step-up i step-down

Małe, tanie, uniwersalne - chińskie klocki LEGO dla leniwych

 

Moduły chińskich przetwornic dc-dc uczestniczą w tworzeniu kolejnych projektów  niemal od początków tego bloga. Uzbierała się już pokaźna ich kolekcja rodzajów i odmian praktycznie na każdą elektroniczną okazję. Jakże ich nie lubić - małe, uniwersalne, sprawne,  a nade wszystko nieprzyzwoicie tanie. W większości koszt elementów przekracza cenę modułu (i to bez  kosztów PCB i montażu). No i ta darmowa dostawa do domu układu  za 0,4$. Koperta pęcherzykowa kosztuje u nas chyba drożej. Chińska ekonomia biznesu wciąż potrafi mocno zadziwiać. Jak im się to opłaca???



Przetwornice to brak zmartwienia czym zasilić docelowy układ. Jeśli potrzebujemy 5V nie ma znaczenia czy nasz zasilacz ma na wyjściu 3 czy 13 V. O ile tylko istnieje choćby niewielki (10-15%) zapas mocy zawsze da się dobrać jakąś przetwornicę step_up lub step_down o wymaganych własnościach i parametrach wyjściowych. Nawet jeśli stosowany układ (np. Arduino NANO) ma na pokładzie odpowiedni stabilizator pozwalający zasilać moduł szerszym zakresem napięć niż ten akceptowany przez mikroprocesor - skrzętnie go omijam. Straty energii na takim układzie stabilizatora liniowego są wielokrotnie większe niż w chińskiej przetwornicy. Wzrost kosztu projektu jest bez znaczenia za to brak dodatkowego grzejnika w miniaturowych przecież układach - bezcenna.

To właśnie sprawność przetwornic jest ich główną zaletą. Kto liczy na 96-98% deklarowanej przez sprzedawców efektywności oczywiście się zawiedzie ale już poziom 85-90% jest łatwo osiągalny. To i tak 2-3 krotnie mniejsze straty niż w stabilizatorach liniowych. Popularny w Arduino AMS1117 ma tylko 1V spadku napięcia ale przy Uwy = 5V i Uwe = 6,5 V (tylko 0,5V zapasu bezpieczeństwa na wahania zasilacza) sprawność to tylko 75%. Przy typowym zasilaniu z 9 lub 12 V wartości spadają do 55 - 42%. Strach pomyśleć jak będzie świecił taki stabilizator gdy pociągniemy z niego katalogowe 1A. Te stabilizatory już przy 100 mA potrafią nieźle dać czadu.

Piękne jest to, że poza wyborem typu przetwornicy (obniżająca-buck, podwyższająca-boost) nie ma specjalnego znaczenia co zastosujemy w konkretnym układzie. Jeśli przetwornica ma regulację napięcia wyjściowego coś się tam z niej zawsze potencjometrem wykręci. Parametry prądowe w typowych zastosowaniach mikroprocesorowych na pewno będą spełnione. Nawet te najmniejsze układy z LM2596 potrafią dostarczyć do 2A i to bez radiatora. Rzecz niemożliwa dla stabilizatorów liniowych. A jeszcze niektóre z nich mają możliwość ustawiania maksymalnego prądu wyjściowego więc i za bezpieczeństwo naszych układów nie trzeba się martwić. Bajka.

Dla leniwych bardziej do wyboru są jeszcze przetwornice step up/step down. Tu już kompletnie nie ma znaczenia jakim napięciem zasilania dysponujemy. Na wyjściu dostaniemy to napięcie na jakie przetwornica została zaprogramowana. Są one przeważnie droższe - niestety

Przetwornice step-up podwyższają napięcie energią zgromadzoną w cewce. Trzeba więc pamiętać, że w tych przetwornicach wielkość maksymalnego prądu wyjściowego jest  zależna od wielkości napięcia wejściowego - odwrotnie proporcjonalnie. Energia zgromadzona w cewce rośnie wraz ze wzrostem różnicy między napięciem wyjściowym a wejściowym. Dlatego zaleca się by różnica pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym wynosiła min 3V. Im większa różnica napięć tym także większa sprawność.
Mimo że optycznie wyglądają podobnie przetwornice step down to zwykły PWM z filtrem LC na wyjściu. Tu więc lepiej by różnica napięć wyj/wej nie była za duża bo łatwiej będzie odfiltrować tętnienia. Przeważnie minimalna różnica to ok 1,5 V wynikająca ze spadku napięcia na układzie kluczującym i potrzebnego marginesu regulacji. 

Ciekawym zastosowaniem przetwornicy jest możliwość wytworzenia ujemnego napięcia względem masy w przypadkach gdy dysponujemy tylko jedynym napięciem zasilania. Rzecz bezcenna w bardziej profesjonalnych układach ze wzmacniaczami operacyjnymi. Jak na razie nie miałem takiej potrzeby by coś takiego stosować.

Ale tak naprawdę liczy się tylko wielkość przetwornicy i ... cena.
Choć czy warto zastanawiać się nad czymś co kosztuje 2zł i ma wymiary 1,5x1cm?

A minusy? W typowych zastosowaniach mikroprocesorowych brak. Może przy bardzo dokładnych pomiarach sygnałów analogowych częstotliwość przełączania przetwornicy (od 100kHz do 1MHz) może jakoś oddziaływać na dokładność pomiaru ale od czego są pojemności blokujące i filtry. No i prawidłowe rozdzielenie i prowadzenie masy cyfrowej i analogowej ma tu ogromne znaczenia. Przetwornica nie zwalnia od prawidłowego umieszczenia kondensatorów blokujących (100uF i 100nF) w węzłowych punktach każdego zasilanego układu. I zawsze możemy dobrać przetwornicę o częstotliwości przetwarzania minimalizującej wpływ na nasze układy. Wybór jest naprawdę ogromny.

Nie będę szczegółowo opisywał  działania przetwornic step-up i step down - jest tego dużo w internecie a tu wpis z dokładniejszym wyjaśnieniem pracy takich układów.

Typowe przetwornice mają albo stałe napięcie wyjściowe albo poprzez dołożenie potencjometru istnieje możliwość jego regulacji w dość szerokich granicach.
Ciekawostką są moduły z dodatkową regulacją prądu wyjściowego. Jak to to zostało sprytnie wymyślone opisałem przy okazji stabilizatorów prądu.

A teraz szybki przegląd  przetwornic z mojego zasobu dostępnych oczywiście na Aliexpressie.
Parametry przetwornic zależą głównie od zastosowanego układu. Trzeba uważnie czytać specyfikację producenta kości zastosowanej w  module bo chińskie dane gotowych przetwornic są często brane z kapelusza.
Najpopularniejsze obecnie układy do przetwornic to LM2596 XL4015 XL4005 LTC3780 XL6009 MT3608 LTC1871 i ponizej skrót ich danych katalogowych.

Step-down, regulacja Uwy

najmniejsza z dostępnych 11x17 mm  LM2596

Uwe = 4,7 do 23 V / Uwy = 1 do 17 V

Iwy   < 1,8 A , 3 A w impulsie

sprawność < 98%  ;)

f pracy = 340 kHz

tętnienia 0A > 30 mV

stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 5% / 5%

cena = 0,4-0,6 $

Step-down, regulacja Uwy

23x54 mm  XL4015
Uwe = 4 do 38 V
Uwy = 1,3 do 36 V
Iwy   < 4 / 4,5 A  (a nawet do 5A max 75W z radiatorem)
sprawność < 96%
f pracy = 180 kHz
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,8% / 0,8%
zabezpieczenia: zwarciowe 8A, termiczne
cena = 0,9 do 1,2 $

Step-down, regulacja Uwy, Iwy, 0,1I ład
24x48 mm  LM2596
Uwe = 7 do 35 V  Uwy = 1,3 do 30 V
Iwy   < 3 A 
sprawność < 92%
f pracy = 150 kHz   tętnienia  < 50 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,5% / 2,5%
cena = 1,2 do 1,5 $

Step-down, regulacja Uwy, Iwy
26x51 mm  XL4015
Uwe = 6 do 38 V  Uwy = 1,3 do 36 V
Iwy   < 5 A (P < 75 W z radiatorem)
sprawność < 96%
f pracy = 180 kHz   tętnienia  < 50 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,5% / 2,5%
zabezpieczenia: zwarciowe 8A, termiczne ,
cena = 1,2 do 1,5 $

Step-up, Step down regulacja Uwy
23x49 mm XL6009
Uwe = 5 do 32 V Uwy = 1,2 do 35 V
Iwy  < 1,5 A   Iwe < 4A  (P < 25 W z radiatorem)
sprawność max < 94%
f pracy = 400 kHz  tętnienia 0A = 50 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej = 0,5% / 0,5% 
cena = 1,3-1,5 $

 Step-down, regulacja Uwy
21x43 mm  LM2596
Uwe = 4 do 35 V  Uwy = 1,3 do 30 V
Iwy   < 3 A 
sprawność < 92%
f pracy = 150 kHz   tętnienia  < 30 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,5% / 2,5%
cena = 0,5 do 0,8 $

Step-down, regulacja Uwy, Iwy Pomiar Uwe/Uwy/P/Iwy
38x68 mm  XL4015
Uwe = 5 do 36 V  Uwy = 1,3 do 32 V
Iwy   < 5 A (P < 75 W z radiatorem)
sprawność < 96%
f pracy = 180 kHz   tętnienia  < 50 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,5% / 2,5%
zabezpieczenia: zwarciowe 8A, termiczne ,
cena = 3,5 do 4 $

Step-down, Uwy=5V
21x62 mm MP2307
Uwe = 7 do 24 V  Uwy = 5 V
Iwy   < 3 A
sprawność < 96%
f pracy = 340 kHz   tętnienia  < 30 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej < 0,5% / 2,5%
zabezpieczenia: zwarciowe , termiczne ,
cena = 2,4 do 2,6 $

 Step-up, regulacja Uwy

37x17 mm MT3608
Uwe = 2 do 24 V Uwy = 5 do 28 V
Iwy   = 2 A
sprawność max < 96%
f pracy = 1,2 MHz
tętnienia 0A = 100 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej = 0,5% / 0,5% 
cena = 0,4-0,6 $

Step-up, regulacja Uwy

30x17 mm MT3608
Uwe = 2 do 24 V Uwy = 5 do 28 V
Iwy   = 2 A
sprawność max < 96%
f pracy = 1,2 MHz
tętnienia 0A = 100 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej = 0,5% / 0,5% 
cena = 0,5-0,7 $

Step-up, regulacja Uwy
21x43 mm XL6009
Uwe = 3 do 32 V Uwy = 5 do 35 V
Iwy   = 4 A
sprawność max < 94%
f pracy = 400 kHz
tętnienia 0A = 50 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej = 0,5% / 0,5% 
cena = 0,8-1,1 $

 Step-up, Uwy = 12
16x33 mm ME2149
Uwe = 2 do 6 V Uwy = 12 V
Iwy   < 2,5 A  P < 8 W
sprawność max < 90%
f pracy = 1 MHz
tętnienia 0A = 30 mV
stabilność Uwy przy zmianach Robc/ Uwej = 0,5% / 0,5% 
cena = 0,8-1,1 $



i tyle na dziś...CDN......