Преобразователи напряжения, компактные, мощные, с гальванической развязкой

В сегодняшнем обзоре пойдет речь об малораспространенных, специфичных, но иногда очень нужных устройствах, мощных компактных преобразователях напряжения. Специфичны они в первую очередь тем, что имеют малораспространенный среди самодельщиков диапазон входного напряжения 36-75 Вольт. Но именно про подобные преобразователи меня уже несколько раз спрашивали и я решил восполнить этот пробел, так как обзоров подобных преобразователей мне еще не попадалось.

Сначала о том, зачем вообще нужны подобные преобразователи.
1. Для получающего распространение электротранспорта, скутеров, велосипедов и т.п.
2. Для питания устройств имеющих повышенные требования к надежности преобразователя.

Меня неоднократно спрашивали по поводу преобразователей для использования в мелком электротранспорте, батарея там часто имеет напряжение около 60 Вольт и большинство продаваемых преобразователей не могут работать при таком напряжении.
Кроме того стоит вопрос о защите от пробоя ключевого транзистора если речь идет о StepDown, потому я обычно советовал покупать преобразователь с гальванической развязкой, но не из-за развязки как таковой, а из-за того, что у таких преобразователей шанс получить что-то опасное на выходе на порядки ниже.

В общем заказал я три варианта преобразователей, тем более цена реально копеечная. Два заказывались у одного продавца и один у второго, собственно потому пришли в двух пакетах. При этом каждый преобразователь лежал в родной ячейке вырезанной из вспененного полиэтилена, собственно изначально они и идут в таких ячейках, только больших.  
 Итак представляю участников теста.
1. RBQ-31251 - Выходное 9.7 Вольта, ток до 40 Ампер, цена $2.81, ссылка.
2. QBW018A0B, Выходное 12 Вольт, ток до 18 Ампер, цена $5.47, ссылка
3. RBQ-8,2/45 - Выходное 8.2 Вольта, ток до 45 Ампер, цена $3.12, ссылка.

Все преобразователи согласно даташитам (о них позже) имеют одинаковый диапазон входного напряжения 36-75 Вольт и одинаковый размер 57.9 х 36,8мм, а как минимум два соответствуют индустриальному стандарту Quarter brick: (57.9x 36.810.6 mm).  
 Блочки увесистые,от 50 до почти 100 грамм.   
Начну описание с моделей RBQ-31251 и RBQ-8,2/45. Изначально я не обратил внимания, но уже при получении понял, что по сути это одна и та же модель, отличающаяся только выходным напряжением и наличием радиатора у RBQ-31251.   
Снизу платы полностью идентичны.   
Можно было бы предположить, что и маркировка должна быть очень похожа, но нет, общего у них только фирма производитель и серия - RBQ.
Кстати насчет фирмы, насколько я могу судить, в данном случае это продукция очень известной фирмы Murata, шанс подделки исчезающе мал, так как подделывать устройства подобного класса чтобы потом продавать их за несколько долларов просто нецелесообразно.   

Первым идет RBQ-8,2/45, сначала описание с даташита производителя. Даташит не конкретно на эту модель, а на другую, но из той же серии. Кстати, в даташите стоит пометка - Discontinued, т.е. официально данный преобразователь не производится и продаются складские залежи.  

 А вот так он выглядит в реальности.   

  Размеры печатной платы и назначение контактов.  

 При довольно простой функциональности устройства компонентов установлено довольно много, при этом часть из них закрыта небольшим радиатором.   
Трансформатор и дроссель дополнительно зафиксированы герметиком.   

Контакты мощные, при этом явно медь и судя по всему имеется золочение, но какая же у них теплопроводность... Мне пришлось взять мощный паяльник чтобы припаять тестовые провода к выходным контактам, при этом был заметен нагрев большей части платы.
Слева вход, справа выход.  

 Со стороны входа три контакта, средний - включение преобразователя и здесь сделаю небольшую оговорку, есть преобразователи включаемые единицей, а есть нулем, зависит от индекса. Я поначалу подал питание на первый преобразователь, но не работает, потом на второй, подумал уже что брак. Когда не захотел работать и третий, то здесь уже стало понятно что просто я делаю что-то не так. Выяснилось что включаются данные модели нулем, т.е. для включения надо соединить средний контакт с минусом входа.

Виной всему схема из даташита, где показана логика для другого типа сигнала управления :) 



  Управляет работой блока питания ШИМ контроллер LM5035.   

При этом данный контроллер управляет не только первичной, а и вторичной стороной, а точнее работой синхронного выпрямителя.
  
 Контроль тока происходит через специальный трансформатор.   

По сути данная плата представляет собой обычный блок питания, только на низкое входное напряжение, есть привычный оптрон и межобмоточный конденсатор.
На вторичной стороне есть несколько мест под резисторы, предположу что таким образом задается выходное напряжение.   

Кроме того на странице продавца есть несколько фото, где сначала показан резистор на плате, номиналом 2кОм. 


  А затем совет, мол если вместо этого резистора включить последовательно постоянный 1.5 кОм и переменный 4.7 кОм, то выходное напряжение можно менять в диапазоне 6-10 Вольт. Причем на странице преобразователя с 9.7 выходным диапазон 6-10. а с 8.2 Вольта смещен в меньшую сторону и составляет 3.4-8.7 Вольта, но резисторы нужны не 1.5 кОм + 4.7 кОм, а 2 и 10.

итого выходит:
Модель с выходным 9.7 Вольта можно регулировать в диапазоне 6-10 Вольт с резисторами 1.5 и 4.7 кОм.
Модель с выходным 8,2 Вольта можно регулировать в диапазоне 3.4-8.7 Вольта с резисторами 2 и 10 кОм. 

  На выходе стоят транзисторы AON6240, 40 Вольт, 85 Ампер, 1.6 мОм.
По входу FDMS86322, 80 Вольт, 60 Ампер, 7.65мОм.
Ну и еще всякие мелкие детальки.   

Второй преобразователь представляет собой почти полную копию, ключевое отличие в том, что у него есть небольшой радиатор, закрывающий одну из сторон платы.   

 Под радиатором такая же плата как показано выше, фото со страницы товара.   

Присутствуют дополнительные стойки, а выводы для подключения имеют увеличенную длину.     

Думаю вы уже обратили внимание на непривычно толстую печатную плату. Измеренная толщина составляет около 3.5мм против 1.5мм у обычных плат и как вы понимаете, сделано это не просто так.   

Все дело в том, что у данных преобразователей трансформатор и выходной дроссель интегрированы в печатную плату, т.е. здесь нет привычного провода, а его роль выполняет многослойная печатная плата.   

Подобное решение встречается там, где надо получить компактное и высокоэффективное решение, а также в военной технике.   

Преимуществ много.
1. Лучше связь между обмотками
2. Меньше индуктивность рассеяния
3. Возможность уменьшить толщину изделия
4. Выше технологичность.

При этом можно кроме обмоток интегрировать и их систему охлаждения, если так можно выразиться. Подробнее здесь.   

Чаще всего используются Ш-образные магнитопроводы.   


Кроме того есть несколько вариантов изготовления.
1. Трансформатор в виде отдельного изделия.
2. Также как п1, только магнитопровод утоплен в окно печатной платы.
3. Гибридный, часть обмоток в виде отдельной платы, часть в составе основной. На мой взгляд лучше подходит для высоковольтных изделий.
4. Полностью интегрированный трансформатор/дроссель, все обмотки являются частью основной платы. У обозреваемых преобразователей как раз этот вариант.   

Для подобных применений выпускаются и специальные магнитопроводы, отличающиеся малой высотой. Более подробно почитать можно здесь, очень полезная статья на сайте одной харьковской фирмы. 


  



Выше я написал по поводу улучшения связи между обмотками, попробую буквально в нескольких словах объяснить этот нюанс.
 1. Самый неправильный вариант расположения обмоток, на разных частях одного магнитопровода. Для импульсной техники не подходит. Если вы попробуете так сделать какой нибудь трансформатор для импульсного БП, то скорее всего жизнь у него будет яркой, но недолгой.

А дальше идет вид в разрезе каркаса и показаны слои обмоток.
2. Самый простой вариант, одна обмотка над другой, работает, но на малых мощностях. Собственно проблемы не зависят от мощности, просто при большой мощности они ярче проявляются, обычно в виде повышенного нагрева снаббера (гасителя паразитных выбросов) так как из-за плохой связи между обмотками энергия медленнее переходит в нагрузку и довольно большая часть уходит в первичную сторону (я сильно упростил).
3. Чтобы улучшить ситуацию, часто мотают сначала первую часть первичной обмотки, потом вторичную, а затем вторую часть первичной. При этом первичная обмотка как бы "обнимает" вторичную и обеспечивает лучше связь между обмотками, т.е. в момент переключения транзистора инвертора в нагрузку ток пойдет быстрее (если можно так выразиться) и снабберу достанется меньше.
4. А это пример "намотки" планарного трансформатора, можно добиться того, чего почти никогда не делают в обычных трансформаторах, многослойного бутерброда. Дело в том, что при обычной намотке такое реализовать сложно технологически, зато для планарного трансформатора это не представляет сложности. Здесь связь между обмотками почти идеальна, соответственно у такого решения выше КПД, а также меньше выбросы в первичную сторону и меньше работы снабберу.

Кстати, неправильная намотка трансформатора это частая ошибка новичков, которые еще не понимают, что важно не только соотношение витков обмоток, а и их правильная укладка, причем чем мощнее БП, тем эта проблема вылазит сильнее. Собственно это примерно то же самое что трассировка печатной платы, где надо не только соединить компоненты согласно схеме, а и учесть взаимное влияние дорожек друг на друга.   

Перейдем ко второму типу преобразователя, в данном случае он рассчитан на более популярное напряжение - 12 Вольт и обеспечивает ток до 18 Ампер.
В данном случае ситуация немного проще, есть родной даташит.

Внешний вид не сильно отличается от предыдущего, формфактор тот же, как и входное напряжение.   

Кстати насчет входного напряжения, в описании указан диапазон 36-75 Вольт, при этом в графе - максимальные значения указано также 75 Вольт и 80 Вольт если преобразователь находится в "спящем" режиме. Некоторые продавцы не советуют подавать больше чем 60 Вольт, я бы рекомендовал ограничиться напряжением 65, максимум 70.   

Трансформатор здесь поменьше, но и мощность ниже почти в два раза, около 200 Ватт.   Радиаторов на плате здесь уже нет.   

Так как формфактор преобразователя стандартен, то соответственно и размеры такие же как у предыдущего. 
  

Контакты для подключения здесь уже немного попроще, что любопытно, торец вывода проводит ток, но при этом внутри выглядит как текстолитовый стержень обернутый фольгой, не паяется, но имеет отличную теплопроводность. 
  

Плата имеет точно такое же расположение контактов и их назначение, т.е. можно выпаять один модуль и спокойно запаять другой если нужны иные параметры. 
 

 Кроме того у преобразователей подобного типа есть иногда и возможность параллельного включения, для чего в некоторых модификациях есть соответствующий контакт для синхронизации работы. В итоге платы можно собирать в виде бутерброда.
Кстати, когда искал пример, попалась плата как была показана ранее, производства Murata. 
  

Как я уже писал, радиаторов здесь нет, потому все компоненты "как на ладони". Слева входная часть, справа выходная.   

Выше на фото видна маркировка модуля, интересно что сначала я нашел даташит на такой же модуль, но другого производителя и уже потом скачал даташит со страницы продавца, как говорится - найдите отличия.
Хотя даташит от Tyco выпущен на 4 года раньше, да и вообще получается интересная ситуация, вот уже 14 лет как производятся интересные высокоэффективные преобразователи напряжения, а "в массы" идет обычно нечто в суперэконом вариантах.   

Здесь также применен планарный трансформатор и дроссель.   

По компонентам сказать особо нечего, отмечу лишь то, что плата имеет два оптрона, один для обратной связи, второй для защиты от превышения напряжения на выходе.   

 Ну а теперь тесты и начну я с модели RBQ-8,2/45, модель RBQ-31251 проверять особо смысла не вижу так как они как близнецы, ну разве что в варианте с радиатором можно будет снять мощность немного побольше без принудительного охлаждения.

И сразу небольшое расстройство, потребляемая мощность.
В дежурном режиме потребление около полуватта, чем выше входное напряжение, тем меньше потребляемая мощность. На мой взгляд многовато, особенно при автономном питании. Кроме того наделся что можно использовать вход старта именно для перевода в микропотребляющий режим, а не размыкать цепь питания. Вы возможно спросите, а почему не рвать просто цепь питания. Так вот в этом и есть проблема, контакты обычных выключателей и реле рассчитаны максимум на 30 Вольт постоянного тока. а здесь элементарно может быть в два раза больше.   

Соединяем вход управления с минусом питания и преобразователь стартует. На выходе 8.271 Вольта.    

А вот мощность, потребляемая без нагрузки меня реально удивила, около 4 Ватт, причем с ростом входного напряжения ток падает, но мощность все равно немного растет.
Примерно то же самое происходит и под нагрузкой, при снижении входного напряжения мощность немного снижается, при повышении растет.   

Теперь можно грубо оценить КПД и зависимость выходного напряжения от тока потребления.
На входе имеем 70.3 Ватта, на выходе 65.1 при токе потребления почти 8 Ампер, КПД получается около 92.6%
При токе 16 Ампер на входе 136.7 Ватта, на выходе 130.8, КПД около 95.7%  

Через 20 минут преобразователь нагрелся почти до 90 градусов, дальше рост температуры остановился.   

Для проверки при больших токах потребления мне пришлось взять более мощный блок питания и нагрузку которая может нагружать током до 40 Ампер при мощности до 300 Ватт.
В итоге
Ток по выходу 23.9 Ампера. напряжение 8.195 Вольта, КПД около 98%
При токе 31.9 Ампера напряжение просело до 8.163 Вольта, КПД получился 97.7%

При таких мощностях требуется уже активное охлаждение, преобразователь хоть и имеет высокий КПД, но через некоторое время начинает перегреваться.  

 И максимум что я смог нагрузить, ток 37.9 Ампера. мощность около 300 Ватт, КПД примерно 97.9%

Конечно расчет КПД имеет большую погрешность так как влияет точность измерения сразу четырех параметров, но все равно результат неплох.   
При обдуве небольшим вентилятором и выходной мощности 300 Ватт температура составила около 60 градусов.   

Размах пульсаций и их форма почти никак не отличатся что без нагрузки, что при токе в 38 Ампер.
Осциллограммы получены при токе - 0, 8, 16, 24, 32, 38 Ампер.   

Тесты второго преобразователя будут немного короче.
1. В "спящем" режиме он потребляет в два раза больше, что весьма грустно :(
2, 3, 4. В режиме работы без нагрузки потребляемая мощность больше чем у предыдущего и также зависит от входного напряжения.   

Без нагрузки выходное напряжение немного выше заявленного и составляет почти 12.2 Вольта.   

КПД и выходное напряжение при токе нагрузки 6, 12 и 18 Ампер.
1. 95,4%
2. 95%
3. 95.5%   

Форма и размах пульсаций вообще никак не меняется что при работе без нагрузки, что при максимальном токе и составляет около 100 мВ.  

 Тест на перегрев проходил при токе в 10 Ампер с пассивным охлаждением.   

Результаты так себе, примерно через 15 минут преобразователь прогрелся до 102 градусов, еще через некоторое время до 111, дальше температура почти не менялась.   

Прогрев влияет и на выходное напряжение, в холодном и горячем состоянии разница составила около 0.1 Вольта.   

При половинной нагрузке преобразователь стабильно работает в диапазоне 36-60 Вольт, при этом в диапазоне 48-60 Вольт потребление никак не меняется, а при 36 немного падает.   

А вот при полной нагрузке преобразователь стабильно работал только при 44-45 Вольт на входе, если понизить еще, то срабатывала защита. Потребляемая мощность (а следовательно и КПД) в диапазоне 45-60 Вольт одинакова.   

Кроме всего прочего второй преобразователь был случайно проверен на защиту от КЗ, отработала на ура, преобразователь ушел в защиту и ждал пока ему перезапустят питание.

Есть версии подобных преобразователей и с более габаритным радиатором, которые могут отдавать до 500 Ватт.   

Пора подвести итоги. Вообще когда начинал писать обзор, то думал что он будет раза в три короче, но как-то неожиданно разросся :(

Теперь по преобразователям.
У первого не очень удобные варианты выходных напряжений, но по крайней мере они были в наличии и стоили недорого. Зато в данном случае это фирменные устройства с высоким КПД, большим выходным током и качественной сборкой.
При комнатной температуре RBQ-8,2/45 может отдавать до 15-16 Ампер без дополнительного охлаждения.
С RBQ-31251 думаю можно рассчитывать на 20-, может даже 25 Ампер так как у него имеется дополнительный радиатор.
Ну а по поводу цены вообще речи нет, за эти деньги обычно продают что нибудь на базе китайских ШИМ контроллеров и с худшими параметрами.

А вот с QBW018A0B (12 Вольт 18 Ампер) ситуация похуже, думаю что без принудительного охлаждения вряд ли получится долго снимать более 8 Ампер. Как вариант, можно установить на него радиатор.

По всем преобразователям есть только одно существенное нарекание, ток потребления в "дежурном" режиме и в рабочем без нагрузки. На мой взгляд 0.5-1 Ватт в выключенном состоянии и около 4 без нагрузки это очень много и если с первым еще как-то можно смириться, да даже просто поставить электронный выключатель, то вот второе исправить не получится, данные модели явно ориентированы на работы при больших токах.

На этом у меня все, надеюсь что добыл полезную информацию и возможно она будет кому нибудь полезна.

Спонсором данного обзора выступил посредник yoybuy.com, который взял на себя оплату доставки. Партнерская ссылка для регистрации, новичкам бонус купон 10 от 50.