Еще одно маленькое инженерное расследование или плач Ярославны
«Я знал, что будет плохо, но не знал, что так скоро» (В.Цой) Не знаю, что послужило причиной написания данного поста, наверное просто наболело, но конкретным побудительным мотивом стало два события — одно ИЗ-ЗА рубежа, а другое отечественного происхождения. Неизвестно, какое хуже, но об этом судить читателю, так что начнем.Все началось с того, что одно из изделий нашей фирмы не стало включаться при пониженной температуре. Поскольку используемый в данном изделии модуль питания фирмы Murata уже ранее применялся в других изделиях и проблем не создавал, долгое время приставали именно к нашей плате. Однако, после того, как были отброшены все возможные объяснения (в результате проверок и эспериментов), последний оставшийся вариант и является правильным, каким бы маловероятным он не казался (метод Шерлока Холмса).
То есть было высказано предположение, что дело действительно в стандартном модуле от известной фирмы. И действительно, эксперименты показали, что модуль питания при определенных значениях входного напряжения (находящихся внутри области работоспособности) и определенных значениях температуры модуля (тоже внутри допустимых) не может включиться при работе на емкостную нагрузку, превосходящую определенное значение (и при этом почти на порядок не дотягивающую до максимально допустимой).Выяснилось, что это свойственно не конкретному модулю, а всей партии, по крайней мере 10 модулей, которые мы проверили, дали одинаковую картину. Более того, в процессе вышеописанных испытаний, то есть находясь глубоко внутри допустимых условий эксплуатации, 3 модуля вышли из строя безвозвратно. Конечно, было бы крайне интересно исследовать в таких режимах модули из старых партий, но к тому моменту они уже были недоступны, поскольку находились в давно отгруженных изделиях, поэтому было предположено, что изменения в поведении связаны с какими-либо изменениями при производстве данных модулей.
Действия наши были вполне однозначны — поставили в известность дилера и стали ждать прибытия его представителя для проведения совместных исследований. Ну, а пока ждали, решили все-таки попытаться разобраться в происходящем сами. Упростили схему до предела. Итак, к выходу исследуемого модуля питания подключаем электролитический конденсатор номиналом 2×680 мкф параллельно с резистором 56Ом и смотрим осциллографом форму напряжения на нем.
Наблюдаем следующую забавную картинку (опять какие-то непонятки с цветами, ну да ладно):
»
Итак после подачи питания модуль начинает выдавать на выход требуеое напряжение. Но если он попытается подать на выход скачок напряжения, то для этого потребуется бесконечно большой мгновенный ток, поскольку на выходе у нас конденсатор, напряжение на котором не может увеличиться скачкообразно. В реальном мире, конечно, потребуется не бесконечно большой, но весьма значительный ток.
Поскольку модуль рассчитан на вполне конкретное значение выдаваемого тока, то в нем реализована защита от превышения выходного тока (обычно 110–120% от максимального), она сработает в момент выдачи этого значительно тока и отключит источник. Для того, чтобы такое не происходило, модуль снабжен схемой мягкого пуска, которая в начальный момент ограничивает значение выдаваемого тока на уровне существенно меньшем рабочего (и, соответственно, максимального), а затем в течении определенного времени начинает этот ток плавно повышать, что хорошо на графие видно, нарастающий фронт явно ускоряется.
Когда ток достигнет максимально допустимого значения, сработает схема защиты и модуль отключиться. Время нарастания составило 2,5 мсек, что маловато, но допустимо. Правда, по осцилограмме получается, что этот ток составил всего лишь 5А, что опять-таки маловато для модуля с выходным напряжением 5В и мощностью 50Вт, но это второй вопрос. По крайней мере с передним фронтом выходного наряжения все понятно.
Такое поведение источнико питания характерно при работе на высокую емкостную нагрузку, при этом мы наблюдаем характерные ступеньки — конденсатор зарядился до определенного значения, модуль отключился, выдержал паузу, попытался включиться снова, напряжение на конденсаторе не успело упасть до нуля, поэтому начальный ток существенно меньше, чем в первый раз и защита срабатывает позже, при этом конденсатор еще подзарядился и за 2–3–4 таких цикла напряжение вышло на номинал и дальше через конденсатор идет только ток утечки, практически не влияя на работу модуля. Именно так вели себя в подобной схеме модули питания отечественного производителя, о котором позже, и все было хорошо.
Но на осцилограмме мы видим несколько иную картину — конденсатор заряжается, защита срабатывает, модуль отключается, НО после этого напряжение на конденсаторе резко уменьшается, при этом ток разряда превышает ток заряда на порядок — почти вертикальный спад. При этом напряжение уменьшается до 0, новый цикл заряда повторяет первый и мы никогда не выходим на рабочий режим.
К сожалению, схем на свои модули фирма не предоставляет и мы вынуждены вступить на зыбкую почву догадок и предположений. Что может быть причиной подобного поведения? Ответ, который представляется мне логичным, следующий. В настоящее время в выходных каскадах трансформаторных источников питания принято применять вместо выпрямительных диодов транзисторы (как правило полевые), так называемая схема синхронного выпрямителя. Это решение позволяет существенно снизить потери на выпрямительном элементе, вместо 1–1.3 вольт прямого падения на диоде, что при тока токе порядка 10 ампер даст 10–13Ватт, мы имеем 100–150 мВ, что снижает выделяемую мощность на порядок.
Но транзистором, в отличие от диода, надо управлять и для этого есть разные методы, историчеки первым из них было прямое управление. Если у нас двухтактная схема, то широко применяется управление транзистором с противоположной обмотки. Эта схема имеет свои преимущества (простота), но для имеет бОльшие потери на переключение, чем схема с непосредственным управлением. Современные микросхемы для построения источников питания, как правило, имеют дополнительные выходы для осуществления этого режима управления транзисторами, поэтому он и стал весьма популярен, можно предположить, что он реализован и в нашем случае.
Но полевой транзистор отличается от диода не только тем, что на нем прямое падение напряжения меньше, но и тем, что он способен проводить ток в обоих направлениях. На этот аспект обычно не обращают должного внимания, но в полевых транзисторах сток и исток неразличимы с точки зрения функционирования (утверждения сильное, но для определенного класса приборов верное). Поэтому, если мы выключим транзисторы накачки, но не примем мер к принудительному выключению выходных транзисторов (как бы диодов), то выходное напряжение замкнется на землю через эти транзисторы по цени сток-исток и, соответственно, выходной конденсатор будет очень быстро разряжен, что мы и наблюдаем.
Дальнейшие действия по проверки этой гипотезы очевидны — включаем между выходом модуля и конденсатором диод (опять таки полевой транзистор в режиме диода, но с прямым управлением) и все получилось — напряжение за 3 цикла выходит на рабочий уровень. Тем не менее мы не в восторге — пришлось дорабатывать схему, причем, что называется, на ровном месте.
Приезжает представитель диллера к нам, мы ему показывем рабочую схему, стенд для проверки, осцилограммы с диодом и без него и предлагаем свою версию происходящего. Он начинает сомневатья, предлагает включить вместо диода резистор порядка 10 ом и это тоже помогает. Ну еще бы не помогло — мы уменьшили ток разрядки конденсатора, как и в случае с диодом. Тем не менее, похоже, что мы его так и не убедили, но тем не менее факт неработоспособности модулей в определенных режимах при применении рекомендованной фирмой схеме фиксируем. Предложение поставить последовательный резистор и выделять на нем 1Вт мощности, чтобы компенсировать косяки, мне не представляется удачным.
Ну, а теперь перехожу к обещанному в заголовка плачу Ярославны. Представитель уезжает с подписанными актами и что? Через некоторое время приходит сообщение о том, что они готовы заменить нам 3 вышедших из строя модуля за свой счет и ВСЕ. Никаких изменений в рекомендованной схеме подключения, никаких изменений в схемотехнике, никакого бюллетеня на сайте производителя для других пользователей — ничего. И это не фирма «Пупкин и Ко», это мировой производитель с известным брендом, которого, похоже, абсолютно не волнует обнаруженный в их стандартной продукции дефект (по крайней мере в конкретной партии изделий), делающий невозможным ее применение в определенных условиях. Что вообще происходит с индустрией электроники? Кое-какеры окончательно победили? Причем в мировом масштабе? Вот такой вот крик души от немолодого разработчика.
Ну, а вторая часть истории не столь ужасна, просто совпала с первой, вот почему сюда и попала. После такого случая доверие к продукции фирмы снизилось и стали искать варианты. Поскольку мы уже активно применяли модули питания одной отечественной фирмы (поскольку я собираюсь ее поругать, по название зашифрую — она производит стандартные модули питания с приемкой 5 и это не ИРБИС — умному достаточно), и к ним претензий по качеству не было, то решили посмотреть, нет ли у них чего-нибудь подходящего.
Дело в том, что их серии источников вполне хороши (да и вообще работа с этой фирмой оставила хорошее впечатление — нормальная документация, вменяемая техническая поддержка, если знаете, кому звонить), но габариты эти источники имеют существенно большие, поскольку удельная мощность в 2–3 раза меньше. И тут на сайте обнаруживаетя новая серия источников, которые имеют плотность мощности даже несколько выше, чем у MURATA (конечно меньше чем у VICOR, но это отдельная песня, c ними вообще мало кто конкурирует, да и своих тараканов у них хватает), имеет приемку 5, да еще и импортозамещение проведем (не зняю, как у кого, а у нас это больной вопрос).
Раскладка ножек, правда, несколько другая, но все равно стандартная. Я радуюсь, сообщаю руководству о таких славных парнях и их изделиях, мы радуемся вместе за страну, в которой все-таки есть такие классные разработчики, начинаем прикидывать варианты применения. И тут я звоню в это неназванную фирмы с целью приобрести образцы и погонять их во всем диапазоне и выясняется, что изделия эти пока не производятся, даже инженерные образцы с приемкой ГК недоступны, приемка 5, естественно, будет когда-нибудь потом, а заказы на коммерческую версию они начнут собирать НЕ РАНЕЕ второй половниы 2015 года. Вот и возник у меня первый вопрос — ребята, зачем обманывать? Ведь кому нужно, он ведь правду узнает — позвонит вам. Честно напишите, что это перспективная разработка, но у вас на сайте сказано, что модули выпускаются (после оживленного обсуждения с ними этого вопроса теперь на сайте так и указано — в разработке). И второй вопрос — неужели для запуска пусть даже и новой серии, но все-таки источников питания с непредельными параметрами требуется более полугода? Если мне говорят «не ранее второй половины» года я слышу «в конце», буду рад ошибиться. Но это так, брюзжание, а вообще-то ребята молодцы, и если они заявленные параметры выдержат, то свой кусок рынка у зарубежных фирм откусят, очобенно в связи с последними событиями.
Заранее приношу извинения, если кого обидел, сумбурно как-то написал, но стирать все равно не буду.
