Предисловие
Иногда для питания какого-либо устройства или его функциональных частей может потребоваться напряжение отрицательной полярности, хотя устройство в целом питается от обычного источника положительной полярности.
Нельзя сказать, что такая задача встречается часто; но когда встретится, то придётся крепко задуматься над её решением.
Далее в обзоре будет рассмотрено одно из возможных решений, как получить отрицательное напряжение из положительного.
В этом случае целесообразно применить импульсный DC-DC преобразователь на отрицательную полярность (он же - инвертирующий DC-DC преобразователь).
Преобразователь основан на микросхеме TPS5430 (Texas Instruments), формально предназначенной для построения понижающих DC-DC преобразователей; но по факту вполне пригодной и для построения инвертирующих преобразователей.
Купить тестируемый DC-DC преобразователь с плюса на минус можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $1.5 с учётом доставки (цена может меняться в любую сторону, особенно при изменении курсов валют, проверяйте!).
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Внешний вид, конструкция и технические характеристики инвертирующего DC-DC преобразователя
Устройство поставляется в виде миниатюрной и тонкой платы габаритами 27 x 16 x 7 мм; посмотрим на неё в двух диагональных ракурсах:
Производитель заявляет на эту плату следующие технические характеристики:
• Допустимое входное напряжение: 5.5...36 В;
• Выходное напряжение (фиксированное): -3.3, -5, -9, -12, -15 В;
• Частота преобразования - 500 кГц;
• Максимальный выходной ток - 3 А.
Немного забегая вперёд, надо сказать, что максимальный выходной ток не подтвердился.
На обратной стороне платы жирной точкой обозначено, на какое конкретно выходное напряжение рассчитана данная плата:
Тестируемый преобразователь имеет выходное напряжение минус 5 В. Кстати, ГОСТ запрещает в технической документации употреблять в качестве обозначения отрицательных величин чёрточку. Цитата, ГОСТ Р 2.105, п. 5.2.4: "В тексте документа, за исключением формул, таблиц и рисунков, не допускается применять математический знак «–» перед отрицательными значениями величин".
Теоретически, выходное напряжение платы можно поменять; но для этого придётся заняться пайкой SMD-элементов, что требует специального оборудования либо владения навыками "левши".
Теперь посмотрим на плату сверху и коротко коснёмся её схемотехники.
По своей сущности, плата основана на обычном понижающем DC-DC преобразователе, "земля" которого оторвана от входной "земли", и, тем самым, становится выходом отрицательного напряжения (более подробную теорию вопроса можно найти в интернете).
На последнем фото слева находится вход, справа - выход преобразователя.
На левой половине платы установлен чип TPS5430 (datasheet TPS5430).
На входе нет традиционных электролитических конденсаторов, установлен только один керамический конденсатор.
Вход защищен от переполюсовки питания диодом (в левом нижнем углу на фото).
Индуктивность 220 мкГн участвует в процессе преобразования энергии; а вторая индуктивность (4.7 мкГн) фильтрует выходное напряжение.
Выпрямительный диод преобразователя - SS34 (диод Шоттки, 3 А, 40 В).
Оба электролита на плате соединены параллельно и подключены к выходу преобразователя, но до его фильтра.
Теперь переходим к тестам.
Тестирование повышающего DC-DC преобразователя на отрицательное напряжение
1. Измерение напряжения включения и выключения преобразователя
Преобразователь включается при напряжении питания 5.5 В, т.е. ровно при том напряжении, которое заявлено в datasheet применённого чипа TPS5430.
Из этого следует не очень приятный вывод: использовать преобразователь при питании от источника стандартного напряжения 5 В не получится.
Выключается преобразователь при снижении напряжения питания до 0.8 В (на холостом ходу), т.е. напряжение выключения не совпадает с напряжением включения, но вряд ли из этого факта удастся извлечь какую-то практическую пользу.
2. Измерения потребляемого тока на холостом ходу (без нагрузки)
Потребляемый ток при напряжении питания 6.5 В составил 11.3 мА.
3. Пульсации выходного напряжения
Неожиданно этот пункт технических испытаний стал самым неоднозначным.
При подключении в качестве нагрузки резистора 8 Ом (ток выхода 625 мА) на выходе преобразователя обнаружились аномально-высокие пульсации. Вот их осциллограмма:
Интересно, что частота пульсаций (ок. 30 кГц) не совпадает с частотой работы преобразователя (ок. 500 кГц). То есть, это - какие-то внутренние автоколебания в системе, а не плохое сглаживание импульсов преобразования.
Далее представлена осциллограмма напряжения в точке соединения выхода микросхемы с индуктивностью при возникновении аномальных пульсаций (напряжение питания - 10 В):
Эти пульсации не исчезали полностью при уменьшении тока нагрузки, а только становились ниже пропорционально снижению тока.
Традиционные методы борьбы с пульсациями в виде навешивания больших электролитических конденсаторов на вход и выход преобразователя тоже не смогли радикально помочь: аномальные пульсации уменьшались, но не исчезали.
Частичное решение всё-таки было подобрано: это - подключение на выход преобразователя керамического (!) конденсатора ёмкостью 10 мкФ.
В этом случае аномальные пульсации появлялись при токе нагрузки свыше 500 мА; а при токе ниже этой величины полностью исчезали. Благодаря LC-фильтру на выходе устройства оставались лишь пульсации крайне малой величины на частоте преобразования:
Идём дальше.
4. Температурные режимы повышающего DC-DC преобразователя
Для проверки нагрева элементов преобразователя был выбран относительно тяжелый режим его работы: входное напряжение 6.5 В, выходной ток 625 мА (нагрузка 8 Ом).
Разогрев элементов платы оказался значительным:
Сильнее всего разогрелся выпрямительный диод - до 93 градусов, на втором месте - микросхема преобразователя - до 85 градусов, на третьем - индуктивность (дроссель) - до 80 градусов (что тоже не мало).
Правда, поскольку из-за аномальных пульсаций этот режим - не рабочий, то при реальных применениях преобразователя столь высокого разогрева не будет. Так что просто не пытайтесь "выжать" из преобразователя то, что отдать он не может.
Тепловое фото делалось тепловизором UNI-T UTi260M (обзор).
5. Зависимость КПД инвертирующего DC-DC преобразователя от режимов работы
Глубоко копать в вопросе КПД не будем, ограничимся двумя точками. Результаты представлены далее (напряжение на выходе всегда 5 В):
• Напряжение входа 6.5 В, ток входа 0.657 А, ток выхода 0.625 А, КПД=73%;
• Напряжение входа 12 В, ток входа 0.149 А, ток выхода 0.313 А, КПД=88%.
Значение КПД, хотя и не достигло заветных 90%, оказалось более-менее приемлемым для импульсного DC-DC преобразователя (бывает и лучше, конечно).
На этом можно перейти к окончательному диагнозу.
Окончательный диагноз инвертирующего DC-DC преобразователя
Протестированный инвертирующий DC-DC преобразователь оказался не совсем сразу "готовым к употреблению": ему требуется небольшая доработка в виде установки дополнительного керамического конденсатора на выход. Этот конденсатор необходим для подавления аномально-высоких пульсаций на выходе; ёмкость конденсатора 10 мкФ или выше.
Можно обойтись и без этого дополнительно конденсатора, если ток нагрузки - небольшой (примерно до 70 мА). В этом случае аномальные пульсации не будут превышать "естественные" пульсации (на частоте преобразования), и тогда ими можно просто пренебречь (хотя они и не исчезнут).
И, конечно, не следует пытаться "выжать" из него заявленный ток выхода в 3 А: ток окажется с огромными пульсациями; да и проживёт преобразователь с такой нагрузкой недолго: сгорит от перегрева.
Реально следует рассчитывать на ток выхода не более 0.5 А; а ещё лучше, с учётом запаса на индивидуальный разброс параметров, - не более 0.4 А.
И, раз уж начали говорить о недостатках, не лишним будет напомнить, что минимальное напряжение старта преобразователя составляет 5.5 В; и, соответственно, от стандартных 5 В он никак не заработает.
Теперь перейдём к плюсам.
Первый плюс - преобразователь полностью функционален и выполняет своё предназначение: создаёт отрицательное напряжение из положительного.
Второй плюс - благодаря наличию выходного LC-фильтра уровень пульсаций на выходе получается очень низким (при условии выполнения указанной доработки и соблюдения указанных выше ограничений по току).
Купить тестируемый преобразователь можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $1.5 с учётом доставки (цена может меняться в любую сторону, проверяйте!). Если найдётся у других продавцов дешевле, то тоже можно брать - товар одинаковый.
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" сайта Smartpuls.ru - здесь.