Нам представилась замечательная возможность провести небольшое, но крайне поучительное тактическое занятие.
Как и всегда, тема поста возникла в процессе решения практической задачи, как и всегда, решение показалось мне интересным, и, как и всегда, решил поделиться с коллегами.
В данном конкретном случае речь пойдет о странностях, сопровождающих работу понижающего изолированного преобразователя DC-DC производства фирмы АЕ-ДОН типа МДМ2-1И3,3СН (далее ИП). Данный ИП был использован в клавиатуре и использовался для формирования напряжения питания устройства (3.3В) из питания интерфейса USB (5В). Применение изолированного источника в данном случае несколько избыточно, ведь земли входа и выхода связаны и ранее здесь использовалась LMZ, но мы с Вами наблюдаем импорто-замещение на марше. Примечание на полях (Пнп): да, мы знаем о существовании серии источников Эйлер от того же АЕ-ДОНа, но у них нет звездочки, и данные ИП имелись на складе были признаны подходящими.
Интерфейс дает нам 5В при токе 0.5А (2.5Вт), потребление устройства менее 0.5А (1.65Вт), мощность ИП 2Вт, что могло пойти не так? Тем не менее, наблюдаемая картина резко отличалась от ожидаемой — на входе ИП напряжение 2.5В (а не 5В), на его выходе 1.8В (а не 3.3В) и устройство в целом (вполне ожидаемо) не работает. Более того, один раз на выходе ИП наблюдалось напряжение 8В, которое привело к повреждению контроллера клавиатуры.
Начинаем разбираться и сразу выясняем, что эффект повторяемый, но привязан к конкретным системным блокам, к которым подключается устройство. На некоторых ЭВМ все работает нормально, на некоторых — нет.
Поскольку подвергать системные блоки испытаниям с нестабильно работающим устройством представляется сомнительной идеей, изолируем проблему. Собираем стенд, на котором исследуемый ИП получает напряжение от ЛИПСа (Лабораторный Источник Питания Стабилизированный, обычно это китайский источник, но у нас имеется АКИП-Б5-71/1М) и питает резистор 6.6Ом, выделяя на нем при номинальном выходном напряжении 1.65Вт.
Подключаем ИП к ЛИПС с установленными 5В при ограничении в 0.5А, на выходе источника 3.3В, на входе 0.45А потребления, рассчитываем 1.65/2.25=0.73% — вполне приличный кпд, вроде все нормально.
Начинаем плавно уменьшать входное напряжение, входной ток растет, выходное напряжение без изменений до входного уровня 2.5В, после чего исследуемый ИП отключается — входной ток 0В, выходное напряжение 0В. Если начать повышать входное напряжение, то ИП снова включается при 3.5В — гистерезис на очень маленький, но тоже приемлемый, пока никаких претензий.
Памятуя, что мы имеем дело с USB интерфейсом, а у него наличествует ограничение по отдаваемому току, начинаем из рабочей точки плавно уменьшать допустимый ток. Пнп: как удобно, когда есть рукоятки, которые можно покрутить, а не нажимать не кнопки «+» и «-». Сначала ничего не происходит, потом ЛИПС начинает снижать напряжение на входе источника, выходное напряжение источника тоже понемногу падает. И вдруг в какой то момент (ток 0.4А) напряжение на выходе ЛИПС скачком падает до 2.5В, при этом его выходной ток остается неизменным, выходное напряжение источника становится 1.8В.
Странно как то, начнем из этой точки увеличивать допустимый ток ЛИПС, но выходное его напряжение не растет, оставаясь 2.5В до величины тока 0.8В, после чего опять-таки скачком становится равным 5В, причем входной ток источника падает до величины 0.45А и выходное напряжение становится равным номинальному 3.3В.
Повторяем эксперимент и поведение системы подтверждается, похоже, что нам удалось повторить дефект на стенде. Складывается ощущение, что при ограничении входной мощности ИП он скачком переходит в некоторое специальное состояние, в котором резко теряет кпд — (1.8*1.8/6.6)/2.5*0.4=41% а при увеличении входной мощности до уровня нормы скачком же возвращается в нормальное состояние.
Тогда поведение исследуемой схемы становится понятным — ИП требует ток, который первичная сеть (USB) отдать не в силах, она сбрасывает входное напряжение, ИП переходит в особое состояние, фиксируя ток и «защелкивается» в нем вместе с интерфейсом — получается устойчивое нерабочее состояние.
Мы ответили на нулевой вопрос (Чернышевский не был инженером, поэтому не знал, что нулевой вопрос - «Что происходит?»), удостоверились в правильности ответа (как нельзя лучше подходит другая цитата «Практика-критерий истины») и можем начать искать ответ на первый вопрос «Кто виноват?». Поскольку в процессе участвуют двое — интерфейс USB и ИП (еще и соединительная линия, но ее в данном конкретном случае сразу исключаем), для определения «Кто виноват?» исследовать надо обоих.
Поскольку с USB работаем не в первый раз и я (более-менее) помню спецификацию, то вопросов к интерфейсу пока нет — поведение соответствует ожидаемому, поэтому открываем документацию на источник и начинаем ее внимательно читать.
Пнп: не могу в очередной раз не выразить благодарность производителю источника — фирме «АЕ-Дон», которая на своем сайте любезно выложила основной документ, определяющий параметры изделия — технические условия, причем в полном объеме. Это, несомненно, правильная практика, которой должны следовать и другие отечественные производители электронных компонентов, но, почему то, не следуют. Более того, на сайте фирмы выложены и намного более короткие, но вполне достаточные документы (вроде как их называют флаеры), отвечающие на основные вопросы о параметрах и применении изделий, еще раз огромное спасибо.
Смотрим основные параметры источника:
входное напряжение 5В (предельные значения 4.5В-9В),
выходное напряжение 3.3В,
максимальная мощность 2Вт.
Сразу обращаем внимание на первый параметр и видим, что работа источника при входном напряжении меньше 4.5В нам не гарантируется, от слова «совсем». Ппн: лично я как-то по-другому представляю себе пределы напряжения 5В, но ИП делал не я. Поэтому применение данного источника для преобразования напряжения питания USB с возможными 4.4В (low-powered hub) выглядит несколько неоправданным. Более того, в этой строке документации нам не гарантируется и «неработа» источника, то есть его отключение (сброс напряжения нагрузки) при напряжении, ниже указанного значения, как кто-нибудь мог бы подумать.
Поскольку далее по тексту ТУ данный параметр (напряжение отключения) не установлен, мы не должны ничего ожидать и принимаем установленный в эксперименте порог выключения 2.5В и включения 3.5В, как не противоречащий ТУ. Ладно, согласимся, что источник имеет полное право, при попытке заставить его работать от напряжения 2.5В, делать, что пожелает, в том числе выдавать 1.8В вместо 3.3В. Но мы пока не имеем ответа на вопрос, как наша система в этой странной точке оказалась.
Ответ находится в разделе ТУ, где указан максимальный входной ток в момент включения источника и он составляет 3А.
У меня есть ряд серьезных замечаний к данному пункту:
Поскольку речь идет о изменяющемся во времени параметре, просто максимального значения тока недостаточно, должна быть указана и его максимальная длительность, а также максимально возможная длительность токов, превосходящих рабочие значения.
Почему то указан только ток при включении источника подачей разрешающего уровня на управляющий вход. Раз уж речь идет о токах во времени, следовало бы указать и максимальный «рашевый» ток в момент заряда входных конденсаторов и его длительность.
Методика измерения данного параметра не выдерживает никакой критики. От нас ожидают подключения токосъемного резистора номиналом не более 10% от входного сопротивления источника, но последний параметр нигде не указан. Далее мы должны наблюдать форму входного тока осциллографом и рассчитать соответствующий напряжению ток. Ну а потом сравнить его непонятно с чем, см. замечание 1.
Но, невзирая на недостаточную определенность параметра, максимальный входной ток источника, тем не менее, указан и его значение явно превосходит ток, гарантированный нам спецификацией USB, а именно 500 мА. Тогда предполагаемый ранее механизм защелкивания в нерабочем состоянии вполне реализуем. Более того, попадание в эту точку будет зависеть от параметров конкретного интерфейса USB и механизма реализации ограничения выходного тока в конкретном устройстве.
Остается вопрос, что это за особое состояние источника, в котором его кпд резко падает вместе с выходным напряжением, но из которого можно выйти увеличением входной мощности. Если бы речь шла о повышающем преобразователе, то мы знали бы ответ (о такой ситуации я уже писал), но у нас развязанный источник, странно как то. Продолжаем изучать ТУ на источник и обнаруживаем ответ — ИП реализован по обратноходовой схеме.
Для данной схемы выходное напряжение определяется, как для инвертирующей топологии, только без инверсии (хотя, если прибить к земле положительный выход трансформатора, то и инверсия останется) и описывается формулой U=Vg*D/(1-D)*K, где D – коэффициент заполнения, а K – коэффициент передачи трансформатора. То есть, строго говоря, при K=1 (да и при любом другом) данный источник может работать и как повышающий и как понижающий. Это свойство топологии позволяет нам проектировать источники с очень широким входным диапазоном (при наличии хорошего транзистора), но за все в этом мире нужно платить.
В данном случае приходится платить наличием максимально возможного коэффициента передачи, обусловленного не идеальностью компонентов, в первую очередь наличием конечного активного сопротивления дросселя, или в случае изолированной топологии трансформатора. Почему то я не нашел в сети расчет данного случая, но его легко провести самостоятельно. У меня получился критический коэффициент заполнения
D'min=sqrt(K*K+K)-K
где K – отношение активного сопротивления трансформатора к сопротивлению нагрузки (Rl/Rн). Пнп: я понимаю, что схема замещения трансформатора индуктивностью не учитывает множество важных деталей, но с чего то надо начинать. Полученное значение весьма близко к аналогичному для повышающего преобразователя D'min=sqrt(K), если учесть, что К<<1.
Но почему мы проскакиваем за минимальное значение D', ведь контроллер ШИМ повышающего преобразователя имеет, как правило, ограничение сверху на D?
Ну, во-первых, разработчик контроллера не может заранее знать параметры нашей конкретной схемы и делает это ограничение не слишком низким. Может быть, у нас очень хорошая индуктивность с очень низким сопротивлением или большое сопротивление нагрузки и мы вполне можем работать с D=0.99 и увеличивать входное напряжение в 100 раз, а контроллер не позволит установить D больше 0.9 и зарежет параметры схемы.
А во-вторых, в рассматриваемом источнике вообще нет контроллера - сюрприз !.
Да, схемы в ТУ нет (что ожидаемо), но мы аккуратно сняли корпус источника и удалили заполняющий его объем полимер. Увидели входной фильтр, неизбежный трансформатор (более, чем с двумя обмотками), силовой транзистор, выходной диод, выходной фильтр, обратную связь на оптроне и трех-выводном стабилитроне, и самое главное, никакого велосипеда ШИМ контроллера. Маловероятно, чтобы он прятался в корпусе SOT23, скорее это дополнительный транзистор для реализации дистанционного управления. Имеются также резисторы и керамические конденсаторы для задания рабочих режимов.
Собственно, уже трансформатор с дополнительной обмоткой намекал на реализацию индуктивной трехточки и мы имеем классическую схему обратно-ходового преобразователя с самовозбуждением. Стабилизация выходного напряжения в такой схеме осуществляется путем уменьшения длительности фазы накачки обмотки трансформатора по мере открывания оптрона обратной связи, схема широко применялась в свое время в силу простоту конструкции и отсутствия дефицитных компонентов (всего лишь один транзистор).
Но ведь и недостатков у этой схемы хватает:
Это не ШИМ, а ЧИМ закон регулирования, поэтому рабочая частота преобразователя меняется в широких пределах и зависит от множества побочных факторов.
Ввиду наличия ограничения снизу на коэффициент заполнения у данной схемы проблемы со стабилизацией при легких нагрузках (на холостом ходу). Пнп: с этим параметром у всех импульсных источников не все хорошо, но у варианта с контроллером есть решения проблемы, хотя главное из них тоже связано с изменением частоты.
Динамические характеристики оставляют желать лучшего.
И точно:
В документации нет указаний на частоту преобразования, что довольно таки странно, ведь пределы изменения разработчику известны и могли быть явно приведены (где-то я видел значение 0.2МГц-1.2МГц).
Явным образом указана минимальная нагрузка (0.1 рабочей), при этом превышение выходного напряжения над номинальным может составлять до 15%.
Значит, мы не ошиблись в своих предположениях и имеем дело именно с обратноходовым преобразователем с самовозбуждением, а для него будет характерно поведение, наблюдаемое нами в эксперименте. Поэтому ответ на второй вопрос «Кто виноват?», к сожалению, будет нам не очень приятен — виноват разработчик, применивший данный ИП без вдумчивого изучения документации на него и откровенно вышедший за пределы допустимых параметров.
Но остается третий извечный вопрос - «Что делать?». Можно, конечно, посетовать на неудачный дизайн источника, можно дать множество ценных советов его разработчикам, но это контр-продуктивное решение. Поэтому будем «искать у себя».
Что мы вообще должны сделать — исключить попадание системы интерфейс-источник в запрещенное состояние или обеспечить ее вывод в рабочее состояние за разумное время. Главная причина сбоя в том, что интерфейс не может обеспечить источник нужным током. Значит, надо либо снизить требования источника либо повысить возможности интерфейса по питанию.
Как бы это по-дурацки не звучало, второй путь проще. Конечно, мы не может потребовать изменения спецификации USB (вернее, потребовать то мы можем, но маловероятно, чтобы это требование было принято комитетом и еще менее вероятно, чтобы оно было удовлетворено в кратчайшие сроки, не более 2-3 часов), но можем добавить дополнительный источник энергии, который поможет удовлетворить аппетиты ИП. Естественным кандидатом является конденсатор с емкостью, достаточной для удержания тока, требуемого источником, без провала напряжения. Пнп: это мог бы быть и дроссель, но там свои тараканы и они намного крупнее.
К сожалению, коллеги из «АЕ-ДОН» не представили нам данные, необходимые для расчета емкости такого конденсатора и мы вынуждены вступить на «зыбкую почву догадок и предположений». Предположим, что длительность повышенного значения тока не превосходит миллисекунд и оценим требуемую емкость конденсатора. Провал напряжения dU на источнике с емкостью C должен обеспечить компенсацию брока тока ИП, в виде формулы это выглядит так:
dEc = C*(U*U-(U-dU)*(U-dU))/2 >= El = U*I*t.
Тогда C*(2U*dU-dU*dU)/2=U*I*t и считая, что dU<<U, получаем C>=I*t/dU, для наших значений C>=3*1E-3/0.5=6E-3, то есть нам нужен конденсатор 6 тысяч микрофарад на 6.3В. Несколько больше, чем хотелось бы, но вполне достижимо.
Однако мы не можем просто взять и поставить требуемый конденсатор, поскольку установить его на выходе питания интерфейса невозможно, а на входе устройства он будет заряжаться при подключении и только усугубит ситуацию. Значит, нам придется разделить процесс подключения нашего устройства на две фазы — зарядка входного конденсатора и собственно включение источника, когда конденсатор служит дополнительным источником тока. Нам придется блокировать работу источника во время первой фазы, для чего есть 2 пути — не подавать на него входное напряжение либо запретить его работу на определенное время.
Первый путь правильнее, но требует существенных доработок, поэтому используем второй, тем более, что источник имеет дополнительный вход отключения путем подачи высокого уровня. Наиболее простая реализация временного интервала – RC цепочка, попробуем ее рассчитать. Требуемое время задержки — время заряда конденсатора, мы можем его оценить, исходя из тока интерфейса 0.5А, тогда время заряда составит t>=C*U/I=6E-3*5/0.5=60E-3c, то есть 60 миллисекунд. Нам следует выбрать номинал резистора к земле и конденсатора к питанию, для чего необходимо знать входное сопротивление входа выключения источника и напряжение срабатывания.
Опять-таки, легкий упрек коллегам из «АЕ-ДОН». Требуемые параметры в документации указаны, но как это сделано … Разброс напряжения включения на управляющем входе настолько велик, что формирование прямого управляющего напряжения из входного не представляется возможным — схема не будет работать «от слова совсем».
Поэтому идем классическим путем с введением ключевого элемента (в данном случае биполярного транзистора) который сделает возможным контролируемое включение в достаточно узком диапазоне. И не забываем ввести элементы, формирующие гистерезис по входу за счет положительной обратной связи.
К сожалению, у этого решения имеются недостатки (а разве бывают практические решения без недостатков, воут). Мы сделали слишком много предположений, причем для наихудшего случая и, если он не наступит, то многие наши заботы окажутся излишними. Поэтому более привлекательным выглядит контроль реально имеющихся параметров схемы, а не формирование заранее определенной задержки.
Для этого необходимо контролировать напряжение на входе источника и прекращать его работу, как только оно окажется недостаточным. Или, что то-же самое, не позволять ему работать, пока напряжение на входе на станет приемлемым. Чисто теоретически это можно сделать сигналом на управляющем входе, но разброс параметров по-прежнему очень велик. Поэтому реализуем данный принцип на уже имеющейся ключевой схеме, убрав формирователи задержек и добавив прямое сравнение входного питания с эталоном (в нашем случае напряжением открывания транзистора). Пнп: следует отметить, что и в предыдущем решении напряжение открывания транзистора также использовалось, как пороговое напряжение.
Размещаем на плате дополнительные компоненты, создаем необходимые связи, подключаем получившееся устройство к различным компьютерам и убеждаемся, что все работает правильно и надежно. Можно, конечно, посмотреть осциллограммы (мы это и сделали), увидеть, что реальные токи при включении источника значительно меньше заявленных в документации (~1.8А) и … всего лишь убедиться, что выбранные на основе технической документации параметры схемы верны. Никаких других выводов, например «можно уменьшить емкость конденсатора раза в 4», делать ни в коем случае нельзя, поскольку единственной информацией, в которой мы можем быть уверены, является именно информация от производителя, а никак не поведение конкретного образца изделия либо даже серии образцов. И лишь в том случае, когда требуемая информация отсутствует полностью, можно, причем с многочисленными оговорками, использовать данные, полученные в конкретном эксперименте.
Найденное нами решение вполне рабочее, воспроизводимое и верное, но все же не вполне правильное, поскольку носит сильнейший признак «заплатки», у программистов более известной, как «костыль». Правильное решение состоит не в организации для выбранного ИП более-менее приемлемой среды обитания из совсем недружественной, (иногда приходится действовать и так, но уж совсем в крайних обстоятельствах), а выбор источника питания, подходящего под конкретное окружение. В данном случае с задачей справится любой понижающий стабилизатор напряжения, начиная от линейного источника и заканчивая POL источником типа LMZ, на которой мы и вернулись ввиду их значительного присутствия на складе.
В заключение сообщения отмечу, что все вышеперечисленные недостатки свойственны исключительно ИП серии МДМ, которая в настоящий момент заменена сериями МДМ-Н и МДМ-П, о чем ясно сказано в документации на сайте фирмы-производителя. Обе последние сделаны по классической схеме с ШИМ контроллером и снабжены средствами контроля режима работы источника, которые делают достижение состояния «защелки» весьма маловероятным.
Пнп: в разговоре с представителями фирмы «АЕ-ДОН» мне сказали, что серия источников на полностью отечественной элементной базе близка к производству, но, несмотря на все усилия разработчиков, массо-габаритные параметры уступают аналогичным по параметрам сериям на импорте почти в 2 раза. В это связи у меня вопрос к читателя Хабра, стоящим несколько ближе к производству компонентов — неужели все настолько плохо и мы не можем сделать достойные аналоги не то чтобы процессора или памяти, но простых транзисторов или ШИМ контроллеров? Или это только мне они кажутся простыми, а на самом деле там тоже прячутся высокие технологии. Я честно не знаю, поскольку с технологиями знаком исключительно издалека, потому и спрашиваю.
Как всегда, загадочное поведения прибора в стиле «да это фигня какая то, а не ежик» получило естественнонаучное объяснения, которое позволило выдать инженерные рекомендации, полностью нормализующие работы ИП в частности и схемы в общем и мы с Вами лишний раз убедились в справедливости нулевого правила инженера: «Чудес на свете не бывает».
