XL4016 8А 280Вт DC-DC понижающий преобразователь с регулятором тока

Технические характеристики

• Модель: QSKJ QS-2405CCBD-12A / PW821 / аналог
• Конструкция: неизолированный, понижающий, импульсный, асинхронный
• Рабочее напряжение
  • Входное: 3.5 ~ 40 В, блокируемое: менее 3.3 В
  • Выходное: 1.25 ~ 35 В
• Потери напряжения (без нагрузки), макс: 0.2 В
• Ток нагрузки
  • продолжительный: до 5 А
  • кратковременный: до 8 А (требуется усиленное охлаждение)
• Мощность, макс.: 280 Вт
• Чип регулятора: XL4016E1 XLSEMI
• Частота ШИМ-преобразователя в состояниях
  
  • рабочее: 180 кГц ± 20% кГц
  • короткое замыкание: 48 кГц
• Эффективность преобразования (КПД), макс.: 96%
• Управление:
  • регулировка выходного напряжения вращением винта потенциометра
  • регулировка нагрузочного тока вращением винта потенциометра
• Количество оборотов потенциометра: 25 ± 3
• Дополнительные функции: светодиодная индикация стадий заряда аккумуляторной батареи CC/CV
• Защита от: короткого замыкания на выходе, перегрева чипа регулятора, входного напряжения более 45В, превышения силы тока
• Контактная группа: винтовые клеммы-терминалы Ø2 мм
• Монтажные отверстия: 4 х Ø3.2 мм
• Рабочая температура: -40℃ ~ +85℃
• Размеры: 65 х 48 х 23 мм
• Вес: 65 гр

Применение преобразователей напряжения

Схемы преобразования напряжения существуют во множестве электронных устройств. Они способствуют уверенному функционированию электрических схем устройств от привычных источников питания, таких как бытовые или промышленные сети постоянного или переменного напряжения, или автономные батареи и аккумуляторы любых типов и размеров. Каждая отдельно взятая схема полностью законченного, готового к эксплуатации прибора, или проектируемого устройства, находящегося на этапах разработки, требует для себя определённого уровня напряжения. И этот необходимый уровень может порой сильно отличаться от многочисленных стандартов напряжения, предлагаемых унифицированными источниками электроэнергии.

Среди большого разнообразия, преобразователи напряжения широко распространены под видом самостоятельных модулей, со свойственными для каждой выбранной модели рабочими характеристиками. Наравне с интегрированными схемами, внешние модули предназначены для задач преобразования переменного или постоянного напряжения до нужного схеме устройства уровня, осуществляя его повышение или понижение. Модули преобразователей называются регулируемыми, потому что в их схемах реализованы возможности принудительного изменения уровня напряжения (в некоторых и тока) на выходе, в том числе и способом ручной механической подстройки. Наиболее частое применение подобные модули находят в области конструирования или замещения цепей питания приборов, используются в автоматике, микроэлектронике, робототехнике, а также в других направлениях.

Конструктивные особенности модуля преобразователя

В основу настоящего модуля DC-DC преобразователя заложен чип понижающего импульсного регулятора XLSEMI XL4016E1. Схема преобразователя способна нормально функционировать от любых сетевых адаптеров, блоков питания, или портативных батарейных источников электроэнергии с напряжением от +3.5В до +40В и током до 8-12А. Преобразователь XL4016 может вырабатывать выходное напряжение в пределах +1.25 ~ +35В, питать нагрузку максимальной мощностью 280Вт. Опорный вольтаж у микросхемы регулятора составляет 1.25В, которым ограничивается нижний порог доступного на выходе напряжения. Модуль оснащён двумя потенциометрами регулировки напряжения и ограничения тока, благодаря которым может быть успешно использован в роли мощного драйвера для светодиодного оборудования.

Плата имеет двухсторонний монтаж электронных компонентов. Элементы силовой части, собранной по типовой схеме приложения из технической спецификации XL4016 без внешнего ТТЛ-сигнального управления, расположены с одной стороны. Одновременно с этим, токоограничивающий контур на сдвоенном ОУ LM358 и токоизмерительный шунт размещены на противоположной стороне. Для уверенной работоспособности с продолжительными 5-амперными и кратковременными 8-амперными нагрузками, чип XL4016E1 и сдвоенный диод Шоттки STPS2045CT дополнены массивными теплоотводящими радиаторами, надёжно закреплёнными по краям платы. В режимах пикового потребления тока от 5А до 8А, или при нагреве модуля выше 65°С, рекомендуется использование усиленного воздушного охлаждения.

Отличительной чертой модуля понижающего преобразователя на чипе XL4016E1 является крайне малый уровень падения напряжения на выходе. Наименьшая разница между входом и выходом напряжения, без учёта подключаемой нагрузки, составляет не более 0.2В. В схеме платы DC-DC преобразователя нет контуров защиты, предотвращающих возможное повреждение чипа XL4016E1 от неправильного подключения полюсов входного напряжения. В микросхеме регулятора интегрированы защиты от перегрева, превышения допустимой силы тока, и короткого замыкания на выходе. Блокировка преобразователя, отключающая внутрисхемные ШИМ-контроллер и МОП-транзистор, активно на уровне входного напряжения менее 3.3В.

Подключение и настройка преобразователя

Отсутствие специально подготовленных площадок входного/выходного напряжения для припайки проводов или разъёмов, упрощает и облегчает способ подключение платы. Контакты источника исходного напряжения и тока зажимаются в 2-мм винтовой клемме входной группы IN+/IN-. Цепь нагрузки присоединяется с противоположной стороны OUT+/OUT-.

Выбор необходимого вольтажа на выходе регулятора осуществляется плавным вращением подстроечного винта чувствительного переменного резистора без обозначения, расположенного напротив клеммы входного напряжения, стоящего ближе к микросхеме XL4016E. Направление по часовой стрелке - плавное увеличение уровня напряжения, в обратном направлении - его уменьшение. На регулировку всего диапазона выходных напряжений, от минимального до максимального возможных значений, потребуется около 25 ± 3 полных оборотов. Регулировка напряжения на выходе преобразователя выполняется без подключения нагрузки, замерами потенциала группы OUT при помощи любого вольтметра на 40-50В.

Схема настоящего преобразователя расширена отдельным стабилизатором 78L05, стоящим в связке со сдвоенным компаратором LM358. Модуль преобразователя не может влиять на величину нагрузочного тока, однако способен его ограничивать. Эта задача возложена на один из сравнивающих блоков LM358, выполняющих измерения падения напряжения на интегрированном шунтирующем резисторе с обратной стороны платы. При достижении заданной величины ограничения тока, микросхема XL4015 блокируется, снижается напряжение и ток на выходе, включается индикатор перегрузки.

Второй блок компаратора применяется для определения величины нагрузочного тока, когда преобразователь выступает в роли зарядного устройства для аккумуляторной батареи. Получаемые с шунтирующего резистора показатели сравниваются со значением ограничения тока, и делятся в соотношении 1 к 9 (или 0.1) согласно методам заряда постоянным током CC / постоянным напряжением CV. Результатами определяется управление встроенными индикаторами "Идёт заряд батареи" (красный) и "Заряд батареи окончен" (зелёный или синий). Например, если нагрузочный ток ограничивается 3-мя амперами, точка переключения индикаторов установится на отметке 300 мА.

Настоятельно рекомендуется заряжать аккумуляторные сборки только со встроенными контроллерами и/или балансировочными схемами. Номинальное напряжение и ток для каждой батареи устанавливается согласно рекомендациям их производителя.

Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия преобразования энергии XL4016E1 достигает высоких 96%. Характеристика КПД не постоянна, её величина напрямую зависит от параметров эксплуатации преобразователя, выражается в процентном отношении, и рассчитывается делением вырабатываемой (выходной) мощности на потребляемую (входную) мощность. Наилучший показатель КПД определяется условием минимальной разницы напряжений между входом и выходом, с наименьшим нагрузочным током. Изменение любого из настраиваемых параметров настоящего импульсного регулятора повлияет на эффективность. Понижающий импульсный преобразователь потребляет больше мощности со стороны первичного источника напряжения, и вырабатывает меньше мощности для нагрузочной цепи. "Потерянный" процент КПД расходуется в процессе преобразования.

Процент КПД менее важен в цепях непрерывного питания, и более актуален для автономных источников питания в виде всевозможных одноразовых батарей и перезаряжаемых аккумуляторов.  Более подробно в примерах о КПД преобразователя можно узнать из статьи.

Принципиальная схема DC-DC XL4016E1 преобразователя

Техническая документация

1. Спецификация микросхемы импульсного DC-DC регулятора XL4016 XLSEMI (Datasheet, PDF, ENG)