Spínaný step-down zdroj s IO LT3800

      13.5.2019 Potřeboval jsem trochu výkonnější spínaný step-down měnič, který by zvládl s rezervou alespoň 40 V na vstupu a dodal výstupní proud cca 6 - 8 A. Na takové proudy a napětí se už běžně nedělají integrované spínáky, ale používají se PWM kontroléry s diskrétními MOSFETy. Docela se mi zalíbil integrovaný obvod LT3800 od Lineáru (dnes Analog Devices). Jedná se o klasický step-down typu synchronní usměrňovač (dioda u cívky je nahrazena N-FETem s menším úbytkem napětí) pracující na fixní frekvenci 200 kHz s proudovým omezením. Max. střída je omezená na cca 90% kvůli nutnosti dobíjení bootstrapového kondenzátoru. Samotný čip lze koupit v TME za 115,50 Kč, avšak na eBay jsem našel rovnou celý modul zdroje za 78,- Kč, navíc s poštovným zdarma, takže jasná volba. Udávanému výstupnímu proudu 10 A lze jen stěží věřit a tak jsem byl zvědav, kolik z toho vymáčknu. V konstrukci jsou použity 2 SMD MOSFEty Toshiba TPCA8053 na 60 V / 15 A s Rdson = 14 mΩ, poměrně malá toroidní tlumivka 22 µH s železoprachovým jádrem navinutá drátem o průměru 1 mm a 2 výstupní elyty ChongX 220 µF / 35 V, 105°C (žádný keramický kondenzátor na výstupu). Výstupní napětí se nastavuje víceotáčkovým trimrem v rozsahu 1,25 - 30 V.

spínaný step-down měnič s LT3800

      Měnič jsem připojil na lab. zdroj 30 V a zatížil odpory. Začal jsem na 4 A a už při tomto proudu se tranzistory, IO a cívka rozpálily tak, že bych to rozhodně nedoporučil pro trvalý provoz. Měl jsem možnost se na to v práci podívat IR kamerou FLUKE Ti35, kde je vidět, že nejvíce topí cívka (113,1°C), horní FET (90°C), dolní FET (84,6°C) a čip LT3800 (77,1°C). Teplo z FETů se rozvádí do malého oboustranného plošňáku, který ho nestíhá dále rozptylovat do okolí. Když jsem tomu naložil 7 A, teploty se dramaticky zvýšily: cívka (152,2°C), horní FET (178,4°C), dolní FET (157,6°C) a čip LT3800 (120°C), ale kupodivu to vydrželo asi 15 minut běžet bez vypnutí a bez výbuchu. Jen připomínám, že s rostoucí teplotou se Rdson FETů zvyšuje, takže nastává kapánek kladná zpětná vazba. Výstupní elyty se také pěkně zahřívají, po chvíli dosáhly teploty 90,3°C.

IR snímek měniče s LT3800 při zátěži 12V/4A IR snímek měniče s LT3800 při zátěži 12V/7A IR snímek měniče s LT3800 při zátěži 12V/7A - elyt
zátěž 12V/4A zátěž 12V/7A zátěž 12V/7A - elyt

      Zde je tabulka několika hodnot naměřené účinnosti zdroje:

Uin [V] Iin [A] Pin [W] Uout [V] Iout [A] Pout [W] Pd [W] η [%]
30 0,16 4,80 3,02 1,00 3,02 1,78 63,0
30 1,88 56,40 12,16 4,00 48,64 7,76 86,2
30 3,20 96,00 11,25 7,00 78,75 17,25 82,0

      Záhadou mi je napěťový průběh na výstupu a gatech polomůstku, kde se při vyšším napájecím napětí nebo větší zátěži průběh rozbije z klasické PWMky s konstantní frekvencí a proměnnou střídou na střídavě delší a kratší pulsy, při určitém rozsahu vstupního napětí a zátěže dokonce více krátkých pulsů. Možná to nějak souvisí s proudovou ochranou a ne zrovna dobře navrženým layoutem spojů na desce. Stabilita a zvlnění výstupního napětí i skoková odezva na zátěž vypadají OK. Počítám s tím, že si navrhnu vlastní plošňák s velkými FETy v pouzdru TO220 na samostatném chladiči a s větší feritovou tlumivkou, který by mohl trvale dodávat větší proud bez přehřívání. Při zkoumání zapojení PCB zdroje jsem ještě narazil na takovou prasárničku, na kterou je vhodné upozornit: pin vnitřního lineárního regulátoru VCC je krmený z výstupu jen přes diodu, přičemž max. dovolené napětí na tomto pinu je 20 V (24 V abs. max.) a Číňan si vůbec nelámal hlavu s tím, co se stane, když někdo nakroutí vyšší výstupní napětí...

Uout ripple 4A-load Uswitch 4A-load Ugate 4A-load Ugate 7A-load transient response load 2A to 4A
Uout ripple @4A Uswitch @4A Ugate @4A Ugate @7A transient resp. 2->4A

      21.6.2019 Rozhodl jsem se tedy navrhnout pro LT3800 vlastní plošný spoj. Podotýkám, že jsem zatím žádné výkonnější spínáky nenavrhoval, dosud jsem si vystačil s obvody od TI s integrovanými spínači, které mi vždy fungovaly bez problémů. Jsem si vědom toho, že ani můj layout není úplně ideální - proudové smyčky by měly mít co nejmenší plochu a blokováky by měly být co nejblíže k MOSFETům polomůstku, ale zároveň jsem potřeboval umístit MOSFETy na kraj plošňáku kvůli snadné montáži na chladič. Vybral jsem TK58E06N1 60 V / 58 A od Toshiby s nízkým Rdson = 4,4 mΩ a Qg = 46 nC (limit LT3800 je 180 nC) za docela příznivou cenu 27 Kč. Po předchozí zkušenosti jsem zavrhl SMD FETy, které by se při velkých proudech do malého plošňáku neuchladily. Kladl jsem hlavně důraz na krátké spoje mezi IO a gaty FETů a od snímacího proudového bočníku R4. Signálovou zem jsem se snažil držet stranou od výkonové země, aby skrz ní neprotékaly velké proudy z kondenzátorů. Napájecí napětí VCC jsem pro případ vyššího výstupního napětí omezil odporem R7 a 18V Zenerkou D5. Výstupní napětí se nastavuje 4-pólovým DIP switchem, kterým lze vybrat 16 různých hodnot dle kombinací odporů R8 - R13 tak, jak potřebuju. Burst režim jsem vypnul připojením pinu BURST_EN# na VCC. Místo železoprachové tlumivky jsem použil kvalitní feritovou stíněnou SMD tlumivku Coilcraft XAL1510-223ME_ s indukčností 22 µH a saturačním proudem 18 A. Pro vstupní a výstupní kapacity jsem zvolil kombinaci low-ESR elytů (Nichicon UPW, Panasonic FC) a MLCC keramik. Plošňáky jsem poslal do výroby k již dříve prověřenému Číňanovi JLCPCB, kde mě vyšlo dohromady 5 ks desek na 2 $ (do 10 x 10 cm) + pomalá pošta za 5,35 $.

schéma mého zdroje s LT3800 PCB layout mého zdroje s LT3800-top side PCB layout mého zdroje s LT3800-bottom side
schéma PCB top PCB bottom

      9.7.2019 Plošňáky dorazily docela rychle. Osadil jsem 1 destičku ze šuplíkových zásob a přepájel na ni LT3800 z modulu zdroje dříve koupeného na eBay. MOSFETy a některé další součástky jsem ještě neobjednal, tak jsem prozatím použil stará másla ST IRF540 a pustil se do testování.

moje vyrobené destičky z JLCPCB můj osazený PCB (finální) můj osazený PCB s chladičem
desky z JLCPCB osazený PCB (finální) osazený PCB+chladič

      Zdroj sice fungoval na první zapnutí, ale záhy jsem zjistil, že při větším zatížení (50W halogenka na 12 V) opět dochází k nežádoucímu vypínání MOSFETů během pracovní periody. Konkrétně se zdroj takto choval při poklesu vstupního napětí pod cca 25 V (střída lehce přes 50%). Výstupní napětí bylo stabilní. Vypozoroval jsem i jistou teplotní závislost prahové hodnoty vstupního napětí, kdy dojde k rozbití PWMky, při vyšších teplotách FETů se tato hranice posouvala níže asi k 23 V. Výše do 31 V (co dá lab. zdroj) to fungovalo normálně. Při jiném výstupním napětí se tato hranice také posouvá. Při menším proudovém zatížení cca do 2 A k vypínání FETů nedochází. Postupně jsem vyzkoušel:
Ugate trise/tfall Ugate turn off during period Ugate just before turn off during period škrábání zemní plochy na spodní straně PCB
Ugate-trise/tfall Ugate-vypínání Ugate-před vypnutím škrábání GND plochy

      23.7.2019 Dnes mi ráno dorazila objednávka z TME (PPL economy, objednáno v neděli) s chybějícími součástkami a novým obvodem LT3800IFE. Napadlo mě, že by mohl být problém v rýžovém IO od Číňana, potisk a povrch pouzdra vypadá lehce jinak, ale žádný rozdíl ve funkci jsem nezjistil. Osadil jsem nové MOSFETy, low-ESR elyty a další chybějící součástky podle plánu. K mému překvapení začal zdroj fungovat stabilně v celém rozsahu vstupního napětí. Podezření padlo tedy na IO, elyty a FETy. Postupně jsem vrátil na desku původní elyty z šuplíkových zásob, které nebyly asi nijak moc kvalitní, ale zdroj byl schopen stabilně běžet i při absenci obou vstupních elytů (jen s 10µF keramikou) a jedním výstupním elytem 470 µF. Teprve když jsem vrátil zpět dříve použité FETy ST IRF540, začalo to znovu blbnout při stejné prahové hodnotě vstupního napětí. Vyzkoušel jsem ještě jiný pár ST IRF540 a chovalo se to stejně. Když jsem je vyměnil za IRF640 od IR s větším Rdson (180 mΩ vs 77 mΩ) a Qg (70 nC vs 30 nC), spínací časy jsou podobné, tak to zas fungovalo OK v celém rozsahu napájení. Možná díky většímu Qg FETy o něco pomaleji spínají a sníží se tak du/dt pod kritickou mez (menší nakmitané napětí na parazitních indukčnostech), kdo ví... Ještě jsem objednal jeden modul zdroje od Číňana z kterého vypájím IO, osadím stejně druhou svou desku a porovnám.

IO LT3800 z TME a od Číňana z eBay Ugate, Usw @31,8Vin Ugate, Usw @16,0Vin Ugate, Isense @31,8Vin
LT3800 TME vs eBay Ugate, Usw@31,8Vin Ugate, Usw@16,0Vin Ugate, Isns@31,8Vin

      Zde je tabulka několika hodnot naměřené účinnosti mého zdroje. Jak je vidět, tak lepší FETy a cívka pomohly k lepší účinnosti přes 90%:

Uin [V] Iin [A] Pin [W] Uout [V] Iout [A] Pout [W] Pd [W] η [%]
31,7 1,82 57,69 12,5 4,25 53,13 4,57 92,1
28,0 2,07 57,96 12,5 4,25 53,13 4,84 91,7
24,0 2,40 57,60 12,5 4,25 53,13 4,48 92,2
20,0 2,88 57,60 12,5 4,25 53,13 4,48 92,2
16,0 3,62 57,92 12,5 4,25 53,13 4,80 91,7
15,0* 3,87 58,05 12,5 4,25 53,13 4,93 91,5
17,3 7,60 131,48 12,5 9,06 113,25 18,23 86,1
* minimum pro udržení Uout = 12,5 V

      13.8.2019 Dnes mi přišel další čínský modul zdroje. Vypájel jsem z něj obvod LT3800EFE a osadil jím svůj 2. plošňák. Na osciloskopu jsem ověřil, že s MOSFETy Toshiba TK58E06N1 je zdroj stabilní v celém rozsahu vstupního napětí. Není zde patrný rozdíl mezi obvodem LT3800 z TME a od Číňana, tedy kromě ceny.



Zpět

Aktualizováno 19.8.2019 v 3:19

„Bůh stvořil člověka, když ho přestaly bavit opice. Na další pokusy už pak neměl nervy.“ Mark Twain