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. К 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
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.
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
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.
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).
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.
Первый тест для безопасности был проведён с установленным радиатором ICK S 40 X 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.
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
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
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.
Влияние частоты синхронизации на потери в преобразователе
Микросхема LTC3789 имеет возможность синхронизироваться по внешнему тактовому сигналу от 200 до 600 кГц. Этот сигнал подается на тот же пин 7 через который задается режим работы. При этом автоматически включается режим continuous mode. В проекте управляющего софта есть возможность произвольно устанавливать частоту из этого диапазона. Тесты показали наименьшие потери на частоте 200 кГц. Увеличение частоты только увеличивает потери. И на частоте 500 кГц они уже 1 Вт больше чем на частоте 200 кГц.
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
Сам репозиторий проекта здесь
