čtvrtek 3. července 2014

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.

4 komentáře:

  1. servus nevedel by si mi poradit postup ako s tymto konvertormi nabijat lion baterie ?

    OdpovědětSmazat
    Odpovědi
    1. na nabíjení Li-Ion baterií je speciální čip, který na destičce stojí taky kolem dvacetikoruny.

      Smazat
    2. Jo, také jsem ho kdysi hledal. Ale pokud poštovné stojí přes 150Kč, tak už je celá nabíječka levnější
      http://www.ebastlirna.cz/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=55889

      Smazat