Velký test DC step-down konvertorů

Po minulém testu DC step-up konvertorů ("zvyšovačů napětí") se v tomto příspěvku zaměřím na step-down konvertory ("snižovače napětí"). Už před rokem jsem koupil řekl bych klasika v této kategorii s čipem LM2596S, u kterého jsem později zjistil slabou účinnost a velký odběr naprázdno:

převodník LM2596S

Začátkem letošního roku jsem pak přikoupil další tři moduly, neboť čínští prodejci v jejich popisech na Ebay zmiňovali čím dál vyšší účinnost (nejdřív 96 %, pak dokonce až 98 %!), na což slyším a tak jsem neodolal a utrácel:

Tři převodníci a 1 Kč pro srovnání velikosti

Je vidět, že miniaturizace pokročila docela dramaticky, přitom výkon zůstal a účinnost papírově ještě vzrostla. Nelze ale věřit všem reklamním řečičkám a je potřeba tu drobotinu podrobit poctivému měření v naší laboratoři vybavené stabilizovaným zdrojem silného napětí, čtyřmi digitálními multimetry a sadou výkonových rezistorů.

Nejdřív si ty moduly pojmenujeme a ukážeme si, jak je prodejci vychválili. LM2596S bude prostě "LM2596S", zatímco ty tři další budu nazývat jednoduše "velký", "střední" a "malý" (dle fotografie).

LM2596S má vstupní napětí 3,2 - 40 V, výstupní 1,25 - 35 V (samozřejmě vždycky nižší než vstupní), výstupní proud až 3 A a účinnost až 92 % (chacha). Pracuje na frekvenci 150 kHz a prodává se za méně než dvacetikorunu.

převodník "Velký"

"Velký" má vstupní napětí 4,75 - 24 V, výstupní 0,93 - 18 V, výstupní proud 2,5 A (špičkově až 4 A) a účinnost až 98 % (óó). Nestojí víc než 35 korun a vypadá poměrně robustně - pěkné svorky pro vstup i výstup a dokonce spínací tlačítko.

"Střední" má vstupní napětí 4,5 - 28 V, výstupní napětí 0,8 - 20 V, výstupní proud 3 A a účinnost až 96 % (kéž by). Jeho srdcem je čip MP1584 a může pracovat na frekvenci až 1,5 MHz. Jakou frekvenci má nastavenou na tomto modulu jsem nenašel/nezjišťoval. Cenově kolísá kolem třicetikoruny.

převodník "Malý"

"Malý" má vstupní napětí 4,75 - 20 V, výstupní 1,0 - 17 V, výstupní proud 1,8 A (špičkově až 3 A), účinnost neuvedena, ale prý se hodí pro modely letadel. Podrobným studiem fotografií u prodejců jsem odhalil, že používá čip MP2307, který je i na "velkém", takže by teoreticky měl mít stejnou účinnost jako on, tedy až 98 %.

Mnohem později (ano, až po koupi) mě napadlo najít si dokumentaci výrobce tohoto čipu a tam jsem si přečetl, že skutečná účinnost MP2307 se sotva dotýká 95%, což je ale vlastně pořád ještě skvělá hodnota:

účinnost MP2307

Logické pak bylo zkontrolovat i dokumentaci čipu MP1584 a přišlo první vystřízlivění - k 96 % udávanými prodejci "středního" modulu se křivky jaksi ani neblíží. Neatakují dokonce ani hranici 90 %...

účinnost MP1584

Je na čase uveřejnit hodnoty mnou naměřené hodnoty (v únoru 2014). Při měření jsem se soustředil na tři situace, do kterých plánuji tyto moduly časem nasadit: jednak snížení napětí z notebookového zdroje 19,8 V na napětí 12 V a 5 V (např. pro harddisk, monitor či USB) a druhak snížení napětí z 12 V (např. autobaterie) na 5 V (např. pro USB).

Nejprve se podíváme na klidový odběr (bez zátěže na výstupu):

měnič	LM2596S	Velký	Střední	Malý
odběr naprázdno při 19,8 → 12 V	6 mA	19 mA	0 mA	22 mA
odběr naprázdno při 19,8 → 5 V	5 mA	27 mA	0 mA	12 mA
odběr naprázdno při 12 → 5 V	6,4 mA	25,8 mA	0,22 mA	12 mA

Už tato tabulka ukazuje naprosto dramatické rozdíly. Některé moduly opravdu nejde nasadit pro provoz z baterie, neboť by ji záhy vysály do mrtě. Jiné jsou naopak výborné a v klidu zdroj zatěžují málo či dokonce neodebírají prakticky žádný proud (je zřejmé, že první dva řádky tabulky jsem měřil s méně citlivým ampérmetrem než řádek třetí, takže tam chybí desetiny miliampér - hodnoty je však možné brát jako zaokrouhlené na jednotky mA).

Další tabulka už ukazuje provoz se zátěží, která se snaží z výstupu modulu odebírat přibližně 1 ampér. Vždy je uvedeno kam až pokleslo výstupní napětí a jaká byla účinnost převodu:

měnič	LM2596S	Velký	Střední	Malý
zátěž 12R3 při 19,8 → 12 V	11,77 V / 86 %	11,68 V / 91 %	11,66 V / 92 %	11,84 V / 91 %
zátěž 5R1 při 19,8 → 5 V	4,96 V / 73 %	4,75 V / 81 %	4,56 V / 82 %	4,74 V / 85 %
zátěž 5R1 při 12 → 5 V	4,75 V / 72 %	4,86 V / 77 %	4,35 V / 76 %	4,77 V / 83 %

Bohužel, účinnost nedosahuje prodejci deklarovaných hodnot. Je ale vidět, že novější převodníky jsou přece jen o kousek lepší než starší LM2596S. Jen ten střední modul docela nezvládá udržet nastavené výstupní napětí.

Pokusil jsem se ještě proměřit moduly s výstupním napětím 5 V při odběru zhruba 2 A:

měnič	LM2596S	Velký	Střední	Malý
zátěž 2R3 při 19,8 → 5 V	4,80 V / 75 %	4,46 V / 79 %	4,11 V / 73 %	4,49 V / 79 %
zátěž 2R3 při 12 → 5 V	4,75 V / 59 %	4,66 V / 66 %	3,80 V / 61 %	4,51 V / 67 %

Tady je situace ještě horší. Střední nezvládl udržet výstupní napětí a tak úplně vypadl ze hry. Navrch zde získal starý poctivý LM2596S, který sice propadá v účinnosti, ale alespoň udrží napětí nejblíž nastavenému. Celkově je to ale naprostá bída. Když totiž účinnost padá až někam k 50 %, je už skoro lepší vykašlat se na veškerou složitou elektroniku, střídače na vysokých frekvencích, cívky a usměrňovače a raději spálit rozdíl napětí (12 - 5 = 7) v něčem jako je lineární stabilizátor 7805. Tomu ale říkám prohra...

Jelikož mám pořád ještě v paměti skvělou účinnost (kolem 90 %)  převodníku napětí pro nabíjení přes USB v autě, nakoupím zkrátka ty adaptéry do auta, proměřím je a vítěze rozeberu na součástky. Tak se snad konečně dostanu k solidnímu obvodu s vysokou účinností. Výsledky měření už jsou venku.