 |
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 orientačně 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.
 |
 |
 |
| 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 | 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 | 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.
 |
 |
 |
| 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:
- přemostit snímací proudový bočník drátkem - překvapivě se to ještě výrazně zhoršilo, k vypínání FETů docházelo v celém rozsahu vstupního napětí.
- odpojit 1 sense vstup LT3800 od bočníku - IO nereguluje, pouze běží na minimální střídu
- přidat paralelně ke snímacímu proudovému bočníku keramiku 1 µF - nemá žádný vliv
- zvětšit hodnotu snímacího proudového bočníku na 30 mΩ - taky nemá prokazatelný vliv (pokud by docházelo ke krátkodobé aktivaci nadproudové ochrany, měla by se při zvětšení bočníku aktivovat dříve)
- přidat paralelně k C13 další kondenzátor 500 pF - taky nemá prokazatelný vliv
- přeškrábnout ve 2 krocích rozlitou zem v dolní vrstvě dle obrázku níže a následně zpět propojit zemní plochu s necháním co nejmenšího okénka - při vytvoření izolačního příkopu pod IO to bylo spíše horší než bez proškrábnutí, ale nijak významné rozdíly
- podle doporučení datasheetu v sekci "Applications Information" na str. 18 přidat paralelně k dolnímu FETu kondenzátor 100 - 200 pF (na eval. kitu mají osazeno dokonce 470 pF) - mělo pouze malý vliv snížením prahu cca o 1 V.)
- omezit rychlost spínání FETů zařazením 10Ω odporů do gatů - celé to začalo nějak divoce kmitat a slabě syčet, než jsem stihl zasynchronizovat osciloskop, tak v tom luplo a LT3800 vypustil obláček magického dýmu...
 |
 |
 |
 |
| 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.
 |
 |
 |
 |
| 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 |
| 31,0 | 3,82 | 118,42 | 12,5 | 7,95 | 99,37 | 19,05 | 83,9 |
* minimum pro udržení Uout = 12,5 V
13.8.2019 Dnes mi přišel další čínský modul zdroje. Vypájel jsem z něj obvod LT3800EFE, osadil jím svůj 2. plošňák a zbytek vyhodil. 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.
13.9.2019 Také svůj modul zdroje jsem pro zajímavost podrobil tepelné analýze pomocí IR kamery FLUKE Ti35. Měření je spíše orientační, neboť neznám přesnou emisivitu povrchů součástek, ale pro relativní srovnání s čínským modulem poslouží dobře. Naložil jsem mu zátěž 12,5 V / 8 A a nechal cca 15 minut zahřát na provozní teplotu. Jak je vidět, nejvíce topí 10mΩ SMD odporový bočník R4 (110 - 130°C), na kterém by se mělo mařit 0,64 W a měl by snést max. zatížení 2 W, cívka (89 - 94°C), čip LT3800 (75 - 79°C), dioda D2 (82 - 85°C, patrně díky těsné blízkosti cívky a bočníku). MOSFETy na pasivním chladiči jsou relativně chladnější (64 - 69°C). Pro kontrolu jsem ještě změřil pár teplot pomocí kontaktního teploměru, jenž se ukázaly o něco nižší - odporový bočník R4: 100°C, cívka: 75°C a MOSFETy: 60°C. Jak je vidět, chlazení FETů externím chladičem a lepší cívka designu výrazně prospěly.
 |
 |
 |
| zátěž 12,5V/8A | zátěž 12,5V/8A | zátěž 12,5V/8A |