В этом обзоре речь пойдёт об энергоэффективном повышающем DC-DC преобразователе на 3,3 В, выполненном в виде миниатюрного модуля размером всего 10х10 мм. Преобразователь сделан на специализированном чипе ME2188A и предназначен для питания различной автономной электроники, в том числе и популярных DIY решений на nRF24L01, LoRa модулях, ESP8266 и т. д.
Я дам общий обзор чипа ME2188A и проведу тестирование описываемого модуля в различных режимах, а затем проанализирую результаты и сделаю выводы о практической применимости данного модуля для питания энергоэффективных (батарейных) DIY устройств.
▍ Чип ME2188A
Прежде чем приступать к тестированию модуля, давайте познакомимся с самой микросхемой ME2188A.
Согласно информации из даташита, серия микросхем ME2188 — это повышающие DC/DC PFM (Pulse Frequency Modulation) преобразователи с низким током покоя и низкими пульсациями выходного напряжения, выполненные по CMOS технологии и работающие на частоте 350 кГц, предназначенные для использования в приборах с батарейным питанием.
Основные заявленные характеристики чипов ME2188 серии:
- Эффективность: до 95%
- Частота преобразования: 350 КГц
- Ток покоя: 13 мкА
- Входное напряжение: 0,9-5,0 В
- Выходное напряжение: 3,3 В (есть другие варианты ME2188A на 1,8-5,0 В)
- Точность: ± 2%
- Низкие пульсации и шумы
- Выпускаются в корпусах: SOT23-3, SOT23-5, SOT23, SOT89-3, TO-92
Типовая схема включения:
В рассматриваемом модуле применён чип ME2188A в корпусе SOT89-3:
1 – GND, 2 – OUT, 3 – IN
Как вы видите, типовая схема применения чипа ME2188 очень простая и требуется добавить всего лишь два конденсатора и одну индуктивность для работы всей системы питания. Теперь давайте протестируем модуль и посмотрим как дела с ним обстоят в реальности.
▍ Модуль на ME2188A
Дизайн модуля крайне прост и повторяет типовую схему. Правда бросаются в глаза и различия: вместо одного конденсатора и на входе и на выходе стоят по два конденсатора, судя по всему, запараллеленных. Также в даташите упоминаются танталовые конденсаторы, а в модуле мы видим керамические. Имеют ли эти нюансы какое-то значение сказать трудно, но в дальнейшем мы увидим, что в работе модуля есть некоторые проблемы, возможно это связано с этими отхождениями от референсного дизайна.
На приведённом фото виден очень маленький размер модуля, что позволяет встраивать его в различные миниатюрные батарейные устройства. Размер модуля 10,7x10,6 мм.
Далее мы переходим к тестированию и выяснению реальных характеристик нашего модуля.
▍ Тестирование
Тестировать модуль я буду с привлечением тяжёлой артиллерии в виде цифрового лабораторного блока питания, тестера, электронной нагрузки и осциллографа, так что ему не удастся скрыть от нас свои недостатки.
В план тестирования будет входить:
- выяснение напряжения старта модуля;
- выходные напряжения во всём диапазоне входных при холостом ходе;
- токи потребления во всём диапазоне входных напряжений;
- выяснение нагрузочной способности в зависимости от входного напряжения;
- ток потребления при изменении величины нагрузки;
- и прочие тесты.
В результате тестирования и после его анализа мы сможем сделать объективные выводы о качестве решения энергоэффективного питания на чипе ME2188 и его недостатках и сможем определить область применимости этого решения.
Наш подопытный:
Вставляем модуль в макетную плату.
Добавляем провода и делаем мини-стенд для дальнейшей работы (на фото модуль «спрятался» за проводами).
▍ Выходное напряжение холостого хода
В этом тесте мы пройдёмся по всему заявленному диапазону входных напряжений и посмотрим как меняется выходное напряжение модуля и сделаем соответствующие выводы.
Таблица выходных напряжений холостого хода:
0,8 — срыв работы
0,9 — 3,29 В
1,0 — 3,29 В
1,1 — 3,29 В
1,2 — 3,29 В
1,3 — 3,29 В
1,4 — 3,29 В
1,5 — 3,30 В
1,6 — 3,30 В
1,7 — 3,30 В
1,8 — 3,30 В
1,9 — 3,30 В
2,0 — 3,30 В
2,1 — 3,30 В
2,2 — 3,31 В
2,3 — 3,31 В
2,4 — 3,31 В
2,5 — 3,32 В
2,6 — 3,32 В
2,7 — 3,32 В
2,8 — 3,34 В
2,9 — 3,35 В
3,0 — 3,36 В
3,1 — 3,37 В (нестабильно, колебания ± 0,1 В)
3,2 — 3,38 В (нестабильно, колебания ± 0,2 В)
3,3 — 3,39 В (нестабильно, колебания ± 0,3 В)
Как мы видим, при 0,8 вольтах на входе происходит срыв работы модуля и выходное напряжение критически падает. То есть напряжение 0,8 вольт модуль не поддерживает. И поскольку это граница диапазона, то и ближайшее напряжение 0,9 вольт тоже на практике использовать нельзя — возможны срывы питания. Отсюда можно сделать вывод, что реальная нижняя граница входного напряжения модуля примерно 1,0 В.
Также мы видим, что при росте входного напряжения постепенно растёт и выходное.
После перехода входным напряжением границы в 3,0 вольта выходное напряжение становится нестабильным и начинает «скакать», правда в допустимых границах, но сами скачки ничего хорошего питаемой электронике не сулят. Получается, что верхний разумный предел входного напряжения этого модуля 3,0 вольта и этот предел лучше не превышать (при работе в ненагруженных режимах).
В целом, по этому тесту можно сказать, что модуль успешно его прошёл.
▍ Ток потребления холостого хода
Теперь выясним ток потребления модуля во всём заявленном диапазоне входных напряжений. Это тест, который покажет нам насколько хорошо модуль работает на холостом ходу. Напомню, что производитель обещает нам ток потребления 13 мкА.
Таблица токов потребления холостого хода:
0,8 — 41 мкА
0,9 — 36 мкА
1,0 — 29 мкА
1,1 — 27 мкА
1,2 — 26 мкА
1,3 — 25 мкА
1,4 — 23 мкА
1,5 — 22 мкА
1,6 — 22 мкА
1,7 — 22 мкА
1,8 — 21 мкА
1,9 — 20 мкА
2,0 — 19 мкА
2,1 — 17 мкА
2,2 — 14 мкА
2,3 — 14 мкА
2,4 — 14 мкА
2,5 — 14 мкА
2,6 — 14 мкА
2,7 — 14 мкА
2,8 — 14 мкА
2,9 — нестабильно, колебания 0-20 мкА
3,0 — нестабильно, колебания 0-20 мкА
3,1 — нестабильно, колебания 0-20 мкА
3,2 — нестабильно, колебания 0-20 мкА
3,3 — нестабильно, колебания 0-20 мкА
Тут тоже выявляются некоторые интересные закономерности. Видно, что на нижнем краю диапазона (0,8-0,9 В) начинает расти ток потребления, а на верхнем краю ток начинает «прыгать», что согласуется с результатами предыдущего теста и подтверждает вывод о том, что реальный рабочий диапазон модуля 1,0-3,0 вольт.
С другой стороны, колебания тока потребления на верхней границе диапазона в данном случае могут не являться дефектом, а обусловлены работой PFM технологии накопления и отдачи энергии (что не оправдывает нестабильность выходного напряжения).
Также мы видим, что заявленные 13 мкА потребления проявляются только в диапазоне входных напряжений 2,2-2,8 вольт. Но даже разброс 14-29 мкА можно считать неплохим результатом (для батарейного питания DIY устройств).
▍ Нагрузочный тест и КПД
Теперь давайте проверим поведение модуля при различной нагрузке, его КПД и входное потребление. Этот тест покажет нам насколько модуль применим для питания различных практических схем.
В качестве неизменного входного напряжения выберем середину его диапазона — 2 вольта. Вот таблица результатов измерений в этом режиме:
Оранжевым цветом выделены значения КПД, выходящие за рамки заявленных минимальных 70 процентов, а красным выделен результат, когда КПД драматически падает до 23 процентов.
Как видно из приведённой таблицы, сколько-нибудь приемлемым током потребления для нашего модуля можно считать 130 мА, далее происходит откровенная катастрофа — КПД падает до 23 процентов, а входной ток возрастает до 600 мА (!). И это в середине рабочего диапазона входных напряжений, а по краям всё будет совсем плохо (это мы протестируем чуть позже).
В результате этого теста можно сделать вывод, что модуль в реальности поддерживает максимум 130 мА тока потребления, что никак не согласуется с цифрами в 600 мА на сайте продавца и в даташите. Это важный момент и далее мы попробуем подробнее разобраться с нагрузочной способностью рассматриваемого модуля.
▍ Подробнее о нагрузочной способности модуля
Теперь посмотрим зависимость нагрузочной способности модуля от питающего напряжения. Как вы понимаете, это важный тест, поскольку показывает как будет вести себя модуль (а вместе с ним и ваше устройство) при падении напряжения на питающих батареях.
0,9 — 20 мА (3,2 В) нестабильно
1,0 — 30 мА (3,2 В)
1,1 — 40 мА (3,1 В)
1,2 — 50 мА (3,1 В)
1,3 — 60 мА (3,1 В)
1,4 — 70 мА (3,1 В)
1,5 — 75 мА (3,1 В)
1,6 — 80 мА (3,1 В)
1,7 — 90 мА (3,1 В)
1,8 — 95 мА (3,1 В)
1,9 — 100 мА (3,1 В)
2,0 — 105 мА (3,1 В)
2,1 — 110 мА (3,1 В)
2,2 — 110 мА (3,09 В)
2,3 — 120 мА (3,07 В)
2,4 — 130 мА (3,06 В)
2,5 — 140 мА (3,05 В)
2,6 — 150 мА (3,04 В)
2,7 — 160 мА (3,03 В)
2,8 — 170 мА (3,02 В)
2,9 — 175 мА (3,01 В)
3,0 — 180 мА (3,0 В)
Или то же самое, но в графическом виде:
За критическое падение напряжения на выходе принято значение 3,0 вольта (это примерно 10% от номинала). Видно, что тут увеличивается предел нагрузочной способности модуля при повышении питающего напряжения. Но всё равно его предел — это 180 мА, а учитывая, что мы имеем дело с батарейками, которые имеют тенденцию к разрядке, то реальную нагрузочную способность вашего устройства нужно выбирать из диапазона 1,0-2,0 вольт.
Тут вступают в противоречие два параметра — напряжение на батареях и ток потребления вашей схемы (устройства) — и тут придётся находить баланс между двумя этими параметрами.
В реальности это 80 мА и падение напряжения до 1,6 вольта, а учитывая, что это предельные значения, то реалистичным будет вариант 70 мА и 1,6 вольта.
То есть, другими словами, и говоря немного проще: что-то вроде nRF24L01 и в некоторых режимах LoRa вы запитать от этого модуля сможете, а вот, например, ESP8266 — уже нет.
▍ Пульсации выходного напряжения
На скриншоте ниже представлена осциллограмма выходного напряжения тестируемого модуля под нагрузкой. Видны пульсации амплитудой чуть больше 20 мВ, что можно считать приемлемым значением в большинстве случаев.
▍ Особые замечания
В процессе тестирования и работы с модулем было замечено, что в случае выхода входных или выходных параметров за граничные критические значения, работа модуля становится нестабильной. Поэтому особое внимание стоит уделять этапу проектирования вашего устройства и режимам его работы, чтобы избежать ситуации сваливания модуля «в штопор».
▍ Выводы
Подводя итог этого обзора, можно сказать, что, в принципе, этот модуль на чипе ME2188 имеет право на существование и его можно использовать в ваших энергоэффективных устройствах, но для его использования нужно учитывать его особенности и хорошо понимать, что и зачем вы делаете. А этот обзор и проведённое тестирование помогут вам в выборе правильного решения.
