DC/DC конвертер DPS3005, сборка лабораторного блока питания на его основе +бонус

 Под катом - много фотографий и небольшая лабораторная работа на готовом изделии. 
У каждого радиолюбителя рано или поздно наступает момент, когда питания от батареек или USB-порта становится недостаточно, и тогда он собирает себе блок питания. Сначала - нечто подобное на основе трансформатора ТВК-110:

потом блок питания отращивает себе защиту от КЗ

Но потом его владелец всё равно из него вырастает и начинает собирать что-нибудь мощнее... ещё мощнее... и ещё мощнее.
Проблемы начинаются тогда, когда оказывается, что блок питания по линейной схеме превращается в калорифер, а на сборку импульсного источника не хватает опыта/навыков/денег/приборов для его наладки.
В настоящее время широко доступны импульсные DC/DC преобразователи в модульном исполнении для монтажа на панель. Они довольно компактны:

и выпускаются на широкий диапазон выходных напряжений и токов:

Модули представляют собой управляемые Step-Down конвертеры. Большинство из них моноблочные, и только у версий с выходным током 12 и 15 ампер силовая часть отнесена от управляющей на двух гибких шлейфах.
Я остановил свой выбор на модуле, способном выдать до 30 вольт на токе до 5 ампер.
Модуль приехал в компактной коробочке из прозрачного пластика. Таможенникам что-то там не понравилось и они её вскрыли.

В коробочке - сам конвертер и цветная инструкция.

Инструкция - на китайском и английском языках. Она же является гарантийным талоном (в смысле он из неё вырезается)

Из модуля торчит 4-контактная клеммная колодка, несколько электролитических конденсаторов и небольшой ребристый радиатор.

Если аккуратно отжать язычки внешней пластиковой обоймы, то можно вытащить этажерку из трёх печатных плат.

Сверху вниз - плата ЖКИ с диагональю 1,44", плата управления и плата силовой части.
Конструкция этого бутерброда разборки с последующей сборкой не предусматривает, но существование версии с отдельной силовой частью сильно упрощает изучение.
Отпаяв двухрядную гребёнку на 8 контактов, мы увидим следующую картину:

На плате управления размещены:
- сдвоенный операционный усилитель MCP6002
- 32-битный микроконтроллер STM32F100C8 на ядре Cortex-M3

- 64 кБ Flash-памяти;
- 8 кБ ОЗУ;
- 7 таймеров;
- 3хUART;
- 2хI2C;
- 2хSPI;
- 10-канальный АЦП с разрешением 12 бит;
- 2 2-канальных ЦАП с разрешением 12 бит;
- 37 линий ввода-вывода.

- стабилизатор напряжения MD7133
- прецизионный операционный усилитель SGM8581
- интегральный стабилизатор напряжения LM1117
- ШИМ контроллер в корпусе SOIC-16 с внутрифирменной маркировкой
- кнопки, энкодер и прочее.

На плате управления удалось опознать микросхему DC/DC конвертера XL7005A с входным напряжением до 80 вольт и рабочей частотой 150 кГц. При этом максимально допустимое на входе модуля напряжение ограничено уровнем в 40 вольт - судя по всему, цепями питания платы управления.

Как работает Step-Down преобразователь напряжения?
В общем - достаточно просто.
Пока силовой ключ открыт, ток протекает через нагрузку преобразователя и включенную последовательно с ней катушку индуктивности, попутно запасая энергию в её магнитном поле.

Когда силовой ключ закрывается, гаснущее магнитное поле создаёт в катушке индуктивности ЭДС самоиндукции, поддерживающее ток через нагрузку, пока не откроется силовой ключ.

Конденсатор при этом сглащивает пульсации напряжения на нагрузке.
Так как силовой ключ почти всё время работы устройства находится либо в полностью открытом или полностью закрытом состоянии, а нагревается только в кратковременных переходных, то он не требует массивного радиатора для отвода избыточного тепла(в отличие от линейного регулятора), что подтверждается данной парой снимков с тепловизора:

Слева - изображение в видимом обычным глазом спектре, справа - карта распределения температур в устройстве.
Всё выглядит довольно просто, пока дело не дошло до практической реализации, когда нужно получить не просто как-то работающий преобразователь, а устройство с заданными параметрами. Покупка готового модуля, собранного и налаженного в заводских условиях, позволяет обойти сложности данного этапа.
На этом закончим с теорией и приступим к вивисекции;)
Модули эти в наше время не редкость, иуже существуют файлы с моделями корпуса для их установки, которые можно распечатать на 3D принтере, но, на мой взгляд, это не наш метод - корпус блока питания должен быть металлическим, чтобы служить экраном от побочных наводок.
Мне достался вот такой прибор. Некомплектный, так что толку от него всё равно не было.

Поэтому убираем из корпуса всё лишнее...

... и ставим туда пару трансформаторов от матричных принтеров формата А3. Можно было бы и один тороидальный, но его нужно отдельно покупать или заказывать, а эти у меня уже давно лежали.

Почему сразу два? Потому что один 150 ватт через себя не пропустит - судя по площади центрального керна сердечника, такие трансформаторы рассчитаны на 80-100 ватт.
Отрываем родную фальшпанель, делаем новую из листа сплава АМг. И вырезаем необходимые отверстия в панели корпуса под ней.

Первые признаки жизни устройства. Пока что они ограничиваются просто работой лампочки в выключателе подсветки, выломанном из старого электрочайника;)

Подключаем конвертер, любуемся стартовой заставкой...

и попадаем в основной экран.

В верхней строке - установленные вручную параметры напряжения и тока на выходе конвертера, ниже и крупнее шрифтом - реально измеренные выходные напряжение, ток и мощность, ещё ниже - реальное напряжение на входе модуля (оно должно быть не менее чем на 10% больше требуемого выходного), в правой колонке - режим его работы: сверху сниз - наличие или отсутствие блокировки управления, срабатывание защиты (и если да - то какой из трёх), стабилизация напряжения или тока, активность или неактивность выхода.

Нажимаем кнопку SET и попадаем в меню настроек.

Тут можно настроить нужные значения стабилизации напряжения и тока, уставки защит, яркость дисплея, номер используемой при старте ячейки памяти(всего их десять) и нужное состояние выхода при старте.
Перемещение между пунктами меню выполняется кнопками "V/up" и "A/down", выбор нужного разряда многозначной величины - коротким нажатием на ручку энкодера, изменение величины - вращением ручки, блокировка управления - длинным нажатием на ручку энкодера. Описание управления выглядит громоздким, но на деле легко и быстро запоминается.
А теперь - небольшая лабораторная работа(я же обещал ВАХ в самом начале?)
Ставим ограничение выходного тока 10 мА и активность выхода на старте, выключаем блок. При этом экран конвертера будет светиться до тех пор, пока фильтрующие конденсаторы выпрямителя (из расчёта 2000 мкФ на 1А выходного тока) не разрядятся примерно до напряжения 7В.
Подключаем к выходу блока светодиод, включаем блок(если наоборот - светодиод сгорит. Такая вот специфика импульсных источников питания) и видим работу в режиме СС (Constant Current).

Немножко поднимем ограничение выходного тока, поочередно подключим к выходу три светодиода разного цвета и будем плавно поднимать подаваемое на них напряжение, следя при этом за протекающим через них током и занося полученные значения в таблицу.

Забьём эти цифры во что-нибудь Excel-подобное и построим по ним график.

Из полученной серии графиков можно увидеть, что чем ближе спектр свечения светодиода к ультрафиолетовому участку...

...тем больше необходимое ему рабочее напряжение.
Примечание: светодиод, обозначенный на графике как синий, излучает свет, видимый глазом как белый. На самом деле кристаллы таких светодиодов излучают в синем или ультрафиолетовом участках спектрального диапазона, но часть света поглощается нанесённым на кристалл люминофором...

... и переизлучается в более длинноволновом участке спектра. Примерно так:

или вот так:

PS. У меня сейчас нет под руками осциллографа, но выходное напряжение под малой нагрузкой выглядит примерно так, 

а под нагрузкой побольше - вот так(источник).
 
PPS. Да, я в курсе, что фальшпанель выглядит не очень. Это сугубо временное решение до конца отпуска. Будет и краска, и отвердитель ДГУ для неё, и электропечь для горячей сушки деталей. Но - после отпуска.