Обзор и тестирование регулируемого понижающего DC-DC конвертера на LM2596S

Время чтения: 12 минут

Перед тем, как приступить к обзору, познакомимся с сердцем преобразователя — одноимённой микросхемой LM2596S.

В оригинальном виде она была разработана американской компанией Texas Instruments и выпущена в продажу в конце 90-х годов прошлого века. За более чем 20 лет существования её было создано несколько разновидностей и ревизий. Но доступность и широкую распространённость получила не микросхема-оригинал, а её клон от множества китайских производителей с литерой LM2596S. Именно её мы и рассмотрим в этом разделе.

Она представляет собой интегральный понижающий преобразователь энергии. Чтобы он работал, нужно минимальное количество внешних компонентов, и не требуется никакой настройки. Выпускается в версии с фиксированными параметрами на выходе (3,3В; 5В; 12В), а так же в регулируемой (ADJ) модификации. Именно её мы и будем рассматривать и исследовать.

Типовая схема включения представлена на рисунке ниже. Взята из оригинальной документации компании Texas Instruments:

Но в нашем случае она немного иная. Схема исследуемого образца взята из документации разработчиков китайского клона:

Как видно, разница включения в них незначительна. Отличие только в номинале входного электролитического конденсатора и присутствии делителя напряжения в цепи обратной связи для возможности его регулировки.

Ниже приведены некоторые наиболее интересные для нас параметры компонента, взятые из техдокументации на оригинал, которые и будут учитываться при последующем тестировании:

Он представляет собой небольшую, полностью готовую к использованию плату:

Габариты 43,3*21,8*13 мм, вес 11 грамм.

Помимо самой микросхемы, на ней размещены и другие жизненно важные для преобразователя компоненты: входной и выходной электролитический конденсатор, накопительный дроссель, коммутационный диод, а также некоторые вспомогательные элементы.

При подаче электропитания на контактные площадки входа, обозначенные IN+ и IN–, прибор запускается немедленно, о чём свидетельствует зажигание светодиода индикации наличия потенциала на противоположных контактах OUT+ и OUT–. Подстройка преобразуемой энергии осуществляется многооборотным переменным резистором-потенциометром.

На фото видно, как поступающие с универсального блока питания MAISHENG MS-3010D 12 вольт подаются на вход преобразователя. Простой, но обладающий высокой точностью мультиметр DT-830 подключен к контактным площадкам OUT+ и OUT– и измеряет напряжение на выходе.

В этом разделе будут проведены измерения основных эксплуатационных параметров прибора. Для тестирования использовано следующее оборудование:

Определение уровня пульсаций будем производить при питании прибора от свинцово-кислотного аккумулятора на 12В (фактическое у заряженной автомобильной/мотоциклетной АКБ оно составляет 12,6В). Сделано это для исключения влияния пульсаций электропитания на характеристиках выходного тока, которые появляются, если подключить преобразователь к ЛБП.

Выходное напряжение установлено на 5 вольт. Сила тока задана резистором на уровне 2 ампера (в таком случае суммарное сопротивление резистор+провода получается 2.5 Ом).

Осциллограф переведён в режим закрытого входа (для отсечения постоянной составляющей выходного сигнала). На экране выше чётко видно, что размах пульсаций выходного напряжения равен 236 мВ, что почти в 10 раз выше заявленных производителем ≤30 мВ. Их частота, то есть и частота преобразования, около 53 кГц, что тоже не соответствует указанной производителем информации.

Повышенный уровень пульсаций вероятнее всего и возникает из-за сниженной частоты преобразования, недостаточной ёмкости электролитических конденсаторов на входе и выходе и/или их невысокого качества, неверно подобранного накопительного дросселя. А почему она снижена, известно только китайским сборщикам.

Перед его измерением определяется наименьшее выходное напряжение: для этого переменный резистор устанавливается в соответствующее положение, а результат замеряется вольтметром. У рассматриваемого прибора оно составляет около 1,2 вольта, что соответствует норме.

После чего входное электропитание снижается до момента приостановки работы прибора:

Затем немного поднимаем его на 0,01В, и преобразователь вновь запускается, выдавая на выходе значение, близкое к его минимуму:

Таким образом установлено, что нижний порог входного электропитания составляет 3,25В (3,2÷3,3В с учетом погрешности вольтметра ЛБП). Это совпадает с официальными характеристиками.

Перед его измерением настраиваем прибор на выдачу 5В. Наличие на выводных контактах питания именно в установленном значении говорит об исправности преобразователя при подаче на вход относительно высокого напряжения.

Питаясь от 20В, прибор сохраняет работоспособность.

И даже при увеличении питания до 30В он исправен.

Значение в 30В является предельным для ЛБП MAISHENG MS-3010D и дальнейшее увеличение напряжения будет производиться с участием полностью заряженного свинцово-кислотного аккумулятора, фактически выдающего 12,6В, и включённого последовательно с блоком питания. Напряжения обоих источников при таком подключении будут складываться.

Подавая на наш исследуемый прибор 44,6В (32В + 12.6В) отмечаем, что он стабильно выдаёт 5В на выходе, что свидетельствует о соответствии полученного параметра техническим характеристикам.

Здесь будет производиться измерение теплового режима микросхемы устройства и уровень пульсаций выходного напряжения.

Измерение температуры будем производить контактным термодатчиком (термопарой).

При работе на номинальном токе около 2 ампер в течение 10 минут температура микросхемы составила 79°C. Данный режим пригоден для длительной эксплуатации.

Показатель пульсации порядка 200 мВ, частота — около 55-60 кГц.

Через 10 минут работы на токе, близком к максимальному (немногим более 3 ампер) температура поднялась до порядка 150°C. Длительная эксплуатация при столь сильном нагреве неприемлема. Такой эксплуатационный режим допустим в течение максимум нескольких минут.

Уровень пульсаций возрос до более чем 300 мВ, а частота преобразования снизилась до 30 кГц. При таких рабочих параметрах коэффициент полезного действия устройства крайне низкий.

Возникновение короткого замыкания на выходных контактах приводит к мгновенному выходу микросхемы из строя с громким хлопком и разрушением корпуса. Защита от КЗ в данной конфигурации отсутствует.

Никаких защитных диодов, предохранителей на плате нет. Защита от обратной полярности подаваемого питания не реализована и в микросхеме. Если перепутать контакты «+» и «-» при подключении устройства к внешнему питанию, то это приведёт к быстротекущему отгоранию вывода питания положительной полярности.