Тестирование DC/DC преобразователя на чипе LTC3789

d244806363cd397e0be57d5e00c9c89d.png

Если кратко, то измеренные параметры конвертера оказались достаточно близкими к расчётным.

Правда есть нюансы. КПД 99% относится только к самому DC/DC преобразователю. Потери в схеме управления не брались в расчёт. А они в сумме составили около 2 Вт. Также не учитывались потери в ключе нагрузки и потери в дорожках на плате до разъёма подключения нагрузки. У счастью эти потери распределены по плате и не вносят вклад в нагрев самой критичной области вокруг DC/DC преобразователя. И конечно такое КПД достижимо не в любых режимах работы конвертера, а в каких описано ниже.

Условия эксперимента

Плата на стойках высотой 45 мм стояла на столе. К ней был подключён блок питания 24 В к разъёму X1. Нагрузка в виде мощного резистора 3 Ом была подключена на разъем X10

Вид платы во время испытанийВид платы во время испытаний

К плате через USB был подключён компьютер с программным пакетом FreeMaster для наблюдения за параметрами в реальном времени и управления настройками. Измерительный термосенсор был установлен в зоне силовых транзисторов, в центре той точки, которая должна была максимально нагреваться в режиме повышения напряжения.

e7d61d76b4938d056747a93d3e3fd269.png

Задачей было добиться целевого КПД при выходном напряжении 30 В и мощности 300 Вт.

Схема платы дана тут, но ещё раз приведу схему узла с DCDC конвертером

13dbeb33515e90ced3f036323fae48a3.png

Важные условия корректной работы микросхемы LTC3789

Правильный выбор номинала конденсатора C53 в компенсационной цепи.

В предыдущей статье была использована программа LTpowerCAD для расчёта номиналов компенсационной цепи.

f5ceac589339071c19eb29c2735c897c.png

Программа LTpowerCAD совершенно спокойно выдала как оптимальное значение для ёмкости конденсатора Cthp 33 пФ. Однако с таким номиналом цепь регулирования в микросхеме становится нестабильной. Это приводит к спорадическим выгоранием микросхемы при включении питания или во время регулирования выходного напряжения. Ёмкость данного конденсатора, как показали эксперименты, лучше установить не менее 1000 пФ.

Правильный выбор между режимами continuous mode и pulse-skipping mode.

Режим работы задаётся напряжение на пине 7 микросхемы. Функция этого вывода, цитата — «Mode Selection or External Synchronization Input to Phase Detector.»

В мануале рекомендуют этот пин держать в состоянии лог. 1 т.е. в режиме pulse-skipping в ситуациях малой выходной мощности, тогда схема как будто бы потребляет меньше тока. На самом деле разница чуть более чем в два раза будет наблюдаться в сильно понижающем режиме (Uin > 2*Uout), а выше разницы уже не будет. Но главное отличие между режимами, и что в мануале практически не отражено, — это управление сигналом TG2, т.е. затвором верхнего транзистора правого плеча (Q7). Этот транзистор шунтирует диод в режиме повышения напряжения (boost).

Осциллограммы демонстрирующие разницу сигнала TG2 в разных режимах.Осциллограммы демонстрирующие разницу сигнала TG2 в разных режимах.

Как видно из осциллограмм, в режиме pulse-skipping транзистор открывается на короткий промежуток времени чуть больший 100 нс. А в режиме continuous mode транзистор открыт все время пока закрыт нижний транзистор. Отсюда проистекает два важных обстоятельства:

  • в режиме pulse-skipping будет пониженное КПД, так как не шунтируется диод верхнего правого плеча при повышении напряжения (измерения показали дополнительную потерю не менее 2 Вт при выходном токе 10 А)

  • в режиме continuous mode нельзя включать преобразователь на повышение, пока напряжение не снизится до уровня меньшего чем уровень повышения. Иначе произойдёт выгорание транзисторов и микросхемы из-за обратных токов из цепи нагрузки в цепь источника. Такие опасные токи могут создать просто выходные конденсаторы, если на момент включения они недостаточно разрядились или аккумулятор, если речь идёт о заряднике.

Результаты тестов

Выходная мощность 300 Вт, выходное напряжение 30 В, ток 10А. Входное напряжение 22.8 В. Режим continuous mode.

6dac73dfb3bee38941bf29d22174a259.png

Первый тест для безопасности был проведён с установленным радиатором ICK S 40×40 X 20 . Радиатор крепился с обратной стороны платы на силовые транзисторы. Для лучшего теплоотвода на радиатор были наклеены листы графитовой термопрокладки ILA-TIM-LEDIL-1A.

Тест в течении 20 мин до момента установления стабильной температурыТест в течении 20 мин до момента установления стабильной температуры

Как видно после 20 мин испытаний температура стабилизировалась. В зоне силовых транзисторов температура остановилась на 79 °C. А катушка индуктивности нагрелась до 100 °C. Катушка индуктивности, как ни странно, оказалась самым горячим элементом на плате.

Силовые транзисторы BSC022N04LS6ATMA1 допускают температуру эксплуатации от -55 до +175 °C

Катушки индуктивности — 7443556260 (2.6 µH Shielded Wirewound Inductor 31.5 A 1.58mOhm Nonstandard). Температура эксплуатации от -40 до +150 °C.

Конденсаторы при температуре 105 °C могут работать не менее 2000 часов. Но их температура раза в два меньше, поэтому можно рассчитывать на 20000 с максимальной выходной мощностью.

Так что предельные параметры эксплуатации не нарушены.

Как влияет ориентация радиатора

72c0c0231452c39083fc3505eb497645.png

Поворот платы на столе вертикально уменьшил температуру в зоне силовых транзисторов до 77.5 °C.Т. е. всего на 1.5 °C.

Тест голой платы без радиатора

585b32dd7533a51bccb08275ea93a23a.png

Без радиатора зона транзисторов нагрелась до 90 °C, а катушка индуктивности до 106 °C.
Именно так и предполагалось в теоретических расчётах.

Кстати, установка платы без радиатора вертикально снижает температуру в зоне транзисторов всего на 0.5 °C.

Измерение КПД

Несмотря на то, что на плате установлены датчики входных и выходных токов, с нужной точностью до 0.3% КПД ими измерить не удастся (хотя бы отличить 97% от 99%).

Проблема в сенсорах тока TMCS1100A2QDRQ1. Их точность не превышает 0.4%. Но даже если их откалибровать и попытаться измерять их выходное напряжение с разрешением 0.1% от выходного диапазона, то оказывается, что на результат измерения влияет ориентация платы в магнитном поле земли. Словом поворот платы может вызвать ошибку измерения тока в 50 мА. Это где-то 0.3% и вполне укладывается в заявленную точность микросхем и особо в даташите не упоминается. Но такая «фича» сильно мешает повышению точности c использованием калибровки.

Поэтому более точно измерения проводились мультиметром по падению напряжения на измерительных шунтах. Измерения показали КПД в диапазоне от 98% до 99% с учётом точности сопротивления шунтов 1%. Более точное измерение КПД не входило в планы поскольку перегрев в данном случае показался более адекватным задаче критерием оценки качества работы конвертера.

Предыдущие статьи по теме касающиеся данной платы:

Делаем встраиваемый полифункциональный зарядник

Выбор графического движка (GUI) для встраиваемой электроники

Подключение USB-Ethernet адаптера в Azure RTOS

Открытый проект по тестированию файловой системы exFAT и SD карт на встраиваемых устройствах с помощью MATLAB

Сам репозиторий проекта здесь

© Habrahabr.ru