15 августа 2022 г.
При проектировании усилителя для наушников HA-1 я погрузился в разработку маломощного импульсного изолированного DC/DC преобразователя на токовой микросхеме ШИМ серии UCCx808x от Texas Instruments. В частности, подошли модели UCCx8084 и UCCx8086, так как их диапазон питающего напряжения начинается от 4,3 В.
Рисунок 1 – DC/DC-преобразователь в составе усилителя для наушников HA-1 (выделен цветом)
UCCx8083/4/5/6 — это семейство токовых ШИМ-контроллеров, предназначенных для построения преобразователей постоянного тока или импульсных источников питания, работающих на фиксированной частоте. Выходные каскады контроллеров подразумевают применение топологии push-pull. Типовое значение мертвого времени составляет 110 нс, что ограничивает рабочий цикл каждого выхода до величины, меньшей чем 50%. Семейство UCCx808x основано на архитектуре UCCx808A, но в отличие от нее в обновленных моделях контроллеров отсутствует усилитель ошибки и добавлена возможность компенсации наклона пилы для сигнала CS с токового датчика. Рабочая частота устанавливается в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц.
Рисунок 2 - Сравнительная таблица различий микросхем в семействе UCCx808x
Рисунок 3 - Внутренняя структура микросхем UCCx808x
Рисунок 4 - Типовая схема включения микросхем UCCx808x
К слову, существует российские аналоги микросхем этой серии, выпускаемые компанией НИИЭТ – 1396ЕУ024 (UCC28084) и 1396ЕУ044 (UCC28086). Вполне возможно, что при разработке была снята полная копия кристалла оригинальных микросхем от Texas Instruments. В документации разработчики даже не стали перерисовывать структурные схемы – оставлены оригинальные. Для остальных микросхем серии, а также для более старой серии UCCx808, также есть «pin-to-pin» аналоги. Подробнее об этом можно почитать в статье Сурова, Белявцева, Данцева и Игнатенко «Серия микросхем ШИМ-контроллеров разработки компаний «НИИЭТ» и «Группа КРЕМНИЙ ЭЛ» на основе 20-В БиКДМОП-технологии», в журнале «Компоненты и технологии», номер 5 за 2022 год.
Практически сразу после успешных испытаний схемы преобразователя в составе усилителя было решено реализовать ее в виде отдельного модуля. По форм-фактору и параметрам я решил оттолкнуться от миниатюрных преобразователей Godsend XZR05/05D12, достать которые можно только в Китае на TaoBao через посредников. Мне было известно, что Макс Крюков (aka Fagear) применял их в своей версии усилителя для наушников. Соответственно, можно было попробовать реализовать мою схему с параметрами, достаточным для питания его усилителя и в габаритах, близких к Godsend'у.
Рисунок 5 - DC/DC-преобразователь XZR05/05D12 в ухоусе Макса Крюкова
DC-DC преобразователь Godsend XZR05/05D12 представляет собой изолированный модуль, преобразующий входное напряжение 4,5-9 В в двухполярное напряжение +/-12 В с точностью +/-1% и максимальным током 208 мА в каждом плече. Пульсации выходного напряжения (в полосе 20 МГц) составляют менее 1% от номинального выходного напряжения. КПД преобразователя не хуже 75%, а габаритные размеры составляют 25,4 х 25,4 х 10,2 мм.
Рисунок 6 - Габаритные размеры XZR05/05D12
Я поговорил с Максом на эту тему, и он подтвердил, что даже готов приобретать подобные модули у меня для своей небольшой серии усилителей, если все характеристики преобразователя будут подходящими и не хуже оригинала. Высота корпуса могла быть чуть больше – до 12 мм, но по посадочному месту они должны были совпадать.
Исходную схему требовалось упростить до такого вида, чтобы все влезло в заданные габариты. Самым высоким компонентом был трансформатор, намотанный на каркасе EE10, и он уже не вписывался по высоте. Кроме того, расположение его выводов сильно затрудняло трассировку платы в таких небольших габаритах. Поэтому я решил заменить сердечник на тороидальный. Выводы обмоток при этом будут в виде проволочных концов и их можно будет запаять в удобные места на плате, а сам трансформатор приклеить к плате.
Подходящих кольцевых сердечников нашлось два. Первый вариант – это B64290L0038 от TDK, изготовленный из материала N87 с начальной магнитной проницаемостью 2300. Внешний диаметр 10 мм, внутренний 6 мм и высота 4 мм. Второй вариант – сердечник из Китая. Он зеленого цвета, его внешний диаметр 10 мм, внутренний 6 мм и высота 5 мм. Материал и эффективная магнитная проницаемость мне была неизвестна, но предположительно, они изготовлены из TP4.
В угоду габаритных размеров я выбрал B64290L0038.
Рисунок 7 - Каркасы EE10 и тороидальные сердечники
Очень нужно было сохранить схему плавного пуска, т. к. пусковой ток ощутимо просаживает входное напряжение и ШИМ-контроллер при этом уходит в защитный режим. Также было необходимо, чтобы выходные напряжения поднимались плавно и, что самое главное, одновременно, чего не мог обеспечить Godsend. Это было достигнуто мной путем внедрения ключа на полевом транзисторе в цепи питания трансформатора. Открывающее напряжение на затвор этого ключа подается с использованием RC-цепочки, что обеспечивает плавность его открывания. Но, что самое главное, сам ШИМ-контроллер я запитал в обход этого ключа, и соответственно он запускается сразу. А за счет плавной подачи напряжения на первичные обмотки трансформатора, на вторичных оно также появляется плавно и одновременно. Я настроил плавный пуск на ~500 мс, но измерение этого времени может осуществляться изменением номинала всего лишь одного конденсатора (на плате он отмечен аббревиатурой SST – от англ. soft-start time). Провернуть подобный трюк с готовым модулем Godsend'a не представляется возможным.
Рисунок 8 - Схема плавного пуска
Изменениям подверглись также схемы фильтров на входе и выходе модуля. На входе я оставил всего лишь небольшую емкость в виде двух керамических конденсаторов на 47 мкФ/10 В. На выходе – только LC-фильтры и ферритовые бусины, сдобренные керамикой. Для экономии места конденсаторы и индуктивности фильтра пришлось «положить» на плату.
Нижний порог входного напряжения ограничен микросхемой ШИМ и потерями на входных цепях, и составляет 4,5 В. А вот верхний я ограничил на уровне 5,5 В. т. к. при большем входном напряжении перегрев ключей становится слишком большим. Но сама микросхема ШИМ, судя по даташиту, умеет работать вплоть до 15В. Это единственная нестыковка с Godsend’ом. Впрочем, в диапазон 4,5-5,5 В попадает любой современный 5-вольтовый зарядник.
Все необходимые компоненты удалось вписать в заданные габаритные размеры – компоновка получилась довольно плотной, но типоразмер пассивных элементов не меньше 0603. Выводные элементы я расположил с верхней стороны платы, SMD-компоненты – с нижней. Такого подхода я придерживаюсь всегда (где нет других требований к расположению элементов) – это удобнее для монтажа и возможного демонтажа компонентов при настройке или ремонте. Также я оставил контактные площадки для припаивания медного экрана. Под его крепежные лепестки сделаны заглубления с торцов платы для того, чтобы экран не выходил на пределы заданных размеров. Сам экран вырезается из листа латуни 0,5 мм и далее у него отгибаются четыре лепестка, формируя боковые стенки модуля. Отверстия над лепестками оставлены в качестве термобарьеров.
Рисунок 9 - Конструкция электромагнитного экрана
Рисунок 10 - Печатная плата преобразователя с экраном
Итоговые размеры преобразователя на кольце B64290L0038X087 получились равными: длина и ширина – 25х25 мм, а высота – 10,2 мм. Это полностью соответствует референсу. На зеленом кольце высота экрана должна быть на 1 мм больше. Соответствующим образом увеличится и общая высота модуля.
Название преобразователя я сформировал по следующему шаблону: 5W-05D12-1, где 5W – мощность 5 Вт, 05 – номинальное входное напряжение 5 В, D12 – двухполярный выход с номинальным напряжением +/-12 В, 1 – ревизия.
Конструктивные параметры преобразователя приведены на чертеже ниже.
Рисунок 11 - Чертеж DC-DC преобразователя
Электромагнитный экран я покрасил и распечатал наклейку с указанием модели и распиновки преобразователя.
Рисунок 12 - Готовые модули
После сборки модуля я провел испытания преобразователя. Я нагружал преобразователь в диапазоне выходных токов от 21 до 210 мА (что эквивалентно изменению 10-100% от номинала), снимая при этом характеристики. Также все это я повторял для нижней и верхней границы входного напряжения.
Наверное, один из самых важных параметров любого преобразователя – это его КПД (эффективность, efficiency).
где Vout, Iout - выходное напряжение и ток, Vin, Iin - входное напряжение и ток.
Другой параметр – стабильность напряжения при изменении нагрузки (load regulation). Также я снял его для всего диапазона нагрузок.
где VML - выходное напряжение при минимальной нагрузке, VFL - выходное напряжение при полной нагрузке, VNL - выходное напряжение при номинальной нагрузке (я принимал 50%).
Третий параметр - точность выходного напряжения (accuracy). Номинальное значение выходного напряжения составляет +/-12В, и его абсолютное значение определяется точностью номиналов резисторов в обратной связи преобразователя.
где Vout - выходное напряжение, Vout nom - номинальное выходное напряжение.
Следующий параметр - стабильность выходного напряжения при изменении входного (line regulation). Его я снял для всего диапазона нагрузок.
где Vout dev - выходное напряжение при входном напряжении, равном минимальному или максимальному допустимому значению (берется то значение, при котором отклонение максимальное), Vout nom - номинальное выходное напряжение.
И наконец, последнее, что я измерил – величину пульсаций и шума (ripple & noise) на выходе преобразователя в полосе 20 МГц с конденсаторами 10 мкФ на каждом выходе.
Осциллограммы входного и выходных напряжений при включении и выключении преобразователя. Хорошо видно работу плавного пуска.
Все характеристики преобразователя сведены в таблицу. Для сравнения даны аналогичные параметры Godsend'а.
| 05W-05D12-1 | Godsend XZR05/05D12 | |||
| Input range | 4.5-5.5 V | 4.5-9 V | ||
| Accuracy | Full input range | ≤ ±0.5% | Nominal input | ≤ ±1% |
| Load regulation | 10-100% load | ≤ ±0.3% | 20-100% load | ≤ ±0.5% |
| Line regulation | ≤ ±0.25% | ≤ ±0.2% | ||
| Ripple & Noise | 20M BW limit | ≤ 9 mVp-p (2.4 mVRMS) | 20M BW limit | ≤ ±1%Vo |
| Efficiency | Nominal input, full load | ≥ 78% | Nominal input, full load | ≥ 75% |
| Dimensions | 25.0 x 25.0 x 10.2 mm | 25.4 x 25.4 x 10.2 mm | ||
Судя по снятым цифрам, характеристики получились достойными и в целом ничуть не уступают моему референсу. Отдельно хочу отметить очень низкий уровень выходных пульсаций и шума. К сожалению, мне нечем измерить сопротивление изоляции, поэтому данные о нем отсутствуют.
Подробные графики и осциллограммы приведены под спойлером.
Посмотреть подробные графики
К сожалению, в современных реалиях достать основной компонент описанной схемы – UCCx808x – стало очень сложно. В наших магазинах они редкие и имеют огромный ценник, а в Китае могут попадаться подделки, хотя некоторое количество рабочих микросхем я оттуда приобрел. Также я запрашивал у НИИЭТ возможность приобрести российские аналоги, но мой вопрос по поводу поставок физлицам был проигнорирован – кажется, они работают только с предприятиями.
Но есть парочка других моделей контроллеров на примете, а также я прорабатываю немного другой вариант схемы, но об этом расскажу позже.