Предыстория.
Рано или поздно перед любым разработчиком встаёт вопрос о том, как запитать устройство мощностью 10-100 Вт от питающего напряжения 24-40В. Однажды, я тоже столкнулся с данной задачей. В моём случае это была задача по обеспечению питанием мощного, 10-ватного ИК светодиода. Он потреблял при 5В 2А постоянного тока от 24 вольтовой линии. Его красивую матрицу можно увидеть на рисунке 1.
Рисунок 1. Матрица 10 Вт светодиода.
По идее, мне ничего не мешало взять пару-тройку L7805 и обеспечить с запасом по току питание такого светодиода, но такое решение потребовало обеспечить его 48Вт электрической мощности переводимой в тепло, из которых 38Вт приходилось бы на блок питания и ещё (с запасом) 10 Вт тепла от светодиода. Данное решение требует значительного размера радиатора и возможно вентилятора осуществляющего прокачку воздуха через радиатор. Это привело бы к нежелательным для нашей техники проблемам (устройство предполагало последующую серию из 10-100 устройств) и было принято решение поставить понижающий DC-DC преобразователь на базе микросхемы L5973D. В таком бы случае устройство потребляло 10-12 Вт, что позволяло сделать лишь небольшой радиатор (100 см. кв. площади) для охлаждения светодиода.
Описание схемы.
Микросхема выпускается фирмой STMicroelectronics в корпусе Power SO8. С первого взгляда это обычный SO8, но с большой поверхностью под пайку под микросхемой. Сделано это из-за того, что в микросхеме собрана вся управляющая часть и источники тепла в DC-DC преобразователи. Наглядно можно это посмотреть на рисунке 2.
Рисунок 2. Внешний вид корпуса L5973D.
По функциональному принципе выводы данной микросхемы можно разделить на:
• Силовые (вход, выход, тепловой полигон)
• Обратная связь (вход сравнивающего компаратора и частотной коррекции)
Компаратор срабатывает при стандартных для микроэлектроники 1,25В, по этому всегда достаточно просто настроить делитель для получения напряжения по выше чем 1,25В. Если же вам вдруг захочется на выходе ниже 1,25В, то уже придётся лепить схему на оу, в прочем так придётся делать почти со всем современными преобразователями.
Рисунок 3. Схема включения DC-DC преобразователя в качестве понижающего преобразователя.
Рисунок 4. Печатная плата преобразователя на L5973D.
В даташите приведена схема, которую я с радостью перерисовал 1 к 1 и без изменений заказал платы в панели прототипов, отправленной в резонит. Когда ко мне пришла панель, я достаточно быстро запаял долгожданный преобразователь и запустил. Если кому интересно как оно паялось, вот вам ссылка на видео с моей сборкой:
Описание работы.
При первом запуске произошло чудо: преобразователь запустился с 1-го раза без доработок и показал относительно малый уровень пульсаций при достаточно большой нагрузке, что сразу завоевало моё уважение данного преобразователя. В результате работы он показывал хороший кпд (более 87%) и как следствие мало грелся. При измерениях уровня внешнего электромагнитного излучения я был счастлив: он практически не шумел даже с очень дешёвой китайской no-name индуктивностью. Я отдал его не тесты моему другу, который так-же зафиксировал то, что даже с радиоаппаратурой данный преобразователь работает крайне здорово.
При КЗ (нагрузке при которой ток должен бы был быть 10А) преобразователь включил встроенную в него защиту и снизил напряжение так, что ток на выходе равнялся 3А. Весь заявленный функционал работал и именно тут я допустил оплошность: в подвернувшемся проекте я запитал от него STM32F100 и силовую нагрузку в виде светодиода описанного выше. Развёл печатную плату и ждал её прихода в следующей панели. Фото платы смотри на рисунке 5.
Рисунок 5. Фотография печатной платы с ик светодиодами.
Когда пришла печатная плата я быстренько собрал её. Решил что 10 Вт наверное избыточен и запаял на печатную плату выводные 5мм ик светодиоды, да ещё и 2 штуки. Устройство запустилось и работало очень хорошо. Оно просто замечательно работало, пока я не решил изменить количество светодиодов с 2 до 16 шт (мощность по постоянному току 3Вт). И тут началось самое интересное:
При включении и выключении преобразователь на L5973d начал выдавать высоковольтные выбросы до напряжения питания по включению и до +5В относительно выставленного уровня по выключению. Конечно, это привело к тому, что я спалил 3 контроллера STM32F100, прежде чем понял это. Немного повозившись в настройках осциллографа я смог вытащить форму выброса и его амплитуду. На рисунке 6 показана форма сигнала прямо на фильтрующем конденсаторе DC-DC преобразователя.
Рисунок 6. Высоковольтный выброс по включению.
При этом пульсации были на уровне:
Рисунок 7. Пульсации напряжения на выходе преобразователя.
Далее я пробовал поиграться с дополнительной LC-фильтрацией преобразователя. Но эти игры особо ничего не дали. При нагрузке импульсы один чёрт были, пускай я и добился снижения их амплитуды в 2 раза.
Тут я вспомнил, что у преобразователя есть частотная коррекция, и можно поиграться с ней. При правильной изменениях её настройки я максимально поднял частоту, что так-же снизило амплитуду выбросов в 2 раза. Но я знал, что при увеличении нагрузки выбросы снова увеличатся, а значит это решение не сильно помогло.
Анализируя проблему и моделируя запуск в программных эмуляторах я пришёл к выводу, что огромное значение на величину данного выброса оказывают всего 2 параметра:
• Частота реагирования обратной связи
• Паразитная ёмкость индуктивности в данном DC-DC преобразователе
Тут сильно начали подгорать сроки и я быстренько переделал данное устройство ЛУТОМ(лазерно-утюжной технологией) под мою отладку на STM32F100 и отдельно собранном преобразователе. Питание в этом случае я разграничил, запитав контроллер через популярный преобразователь L7805, а вот мощный в этот раз светодиод я записал от отдельно собранного преобразователя на L5973d. Всё работало прям очень хорошо. В качестве дополнительной фичи я там добавил ёмкость (см схему на рисунке 8). Она обеспечила плавный запуск питания светодиода.
Рисунок 8. Схема с доработкой по плавному запуску.
Удивительное дело, после добавления ёмкости я не смог снять выброса совсем. Но выброс стал меньше.
Дальнейшая работа в данном направлении.
Повторюсь, устройство предполагает серию, и сейчас я ожидаю подписание серии из 10-ти устройств, которые будут собираться в симпатичном корпусе (смотри рисунок 9). Если его подтвердят, то в этом, если нет, то в другом проекте попробую сделать на разных индуктивностях и сравнить выбросы.
Рисунок 9. Симпатичный корпус прибора, использующего L5973d.
