Cincon CQB200: testy kompaktowej przetwornicy DC/DC 200 W

Dobre źródło zasilania można poznać nie tylko po dokładnym wskazaniu woltomierza. Dopiero dołączenie obciążenia, obserwacja tętnień i stanów przejściowych czy wreszcie spojrzenie na widmo zakłóceń pokazują, jak przetwornica radzi sobie w rzeczywistym układzie. Czy napięcie pozostaje stabilne w szerokim zakresie obciążenia? Czy szumy i emisja RFI rosną równie szybko jak oddawana moc? Sprawdziliśmy to na przykładzie 200-watowego modułu Cincon CQB200-24S24N.

Garść parametrów na początek

Przetwornica CQB200-24S24N marki Cincon ma wymiary 57,9 × 36,8 × 12,7 mm i masę 68 g, a zatem – jak na moduł o mocy wyjściowej 200 W – jest dość kompaktowa. Co ważne, mamy tu do czynienia z modułem w pełni izolowanym, o napięciu probierczym izolacji 2250 V DC.

Przetwornica jest przeznaczona do montażu przewlekanego na PCB, a jej konstrukcja bazuje na obudowie z tworzywa sztucznego, wypełnionej zalewą izolacyjną i zamkniętej za pomocą aluminiowej płyty odprowadzającej ciepło, do której można przykręcić radiator za pomocą dwóch przelotowych tulejek gwintowanych M3. Obudowa i zalewa mają klasę palności UL 94 V-0. Dopuszczalna temperatura modułu, mierzona na środku aluminiowej płyty, wynosi od -40 do +105°C.

Moduł pracuje z typową częstotliwością przełączania 250 kHz, co potwierdziły wykonane przez nas pomiary oscyloskopowe. Oprócz wejścia zdalnego załączania (ON/OFF) oferuje ponadto regulację napięcia wyjściowego w zakresie ±10% oraz osobne wyprowadzenia Sense, umożliwiające kompensację spadków napięcia na połączeniach z odbiornikiem. Wewnątrz wbudowano także zabezpieczenia przed przeciążeniem, zwarciem (z funkcją auto recovery), nadmiernym napięciem wyjściowym i przegrzaniem oraz blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu wejściowym.

Producent deklaruje spełnienie wymagań UL 62368-1 w zakresie izolacji funkcjonalnej, a także MIL-STD-810F i EN 61373 dotyczących odporności na udary i drgania oraz EN 45545-2 w zakresie właściwości pożarowych materiałów stosowanych w pojazdach szynowych. Zgodność emisji z EN 55032 w klasie A przewidziano przy zastosowaniu zewnętrznego filtru EMI.

Warunki testów

Badana przez nas przetwornica DC/DC dostarcza nominalnie napięcie równe 24 V przy prądzie do 8,33 A, pracując z napięciem wejściowym w przedziale 18…36 V. Moduł o mocy 200 W ma obudowę w formacie quarter-brick i izolację wejście-wyjście badaną napięciem 2250 V DC. Wersja z przyrostkiem N jest załączana stanem niskim podanym na wejście sterujące ON/OFF.

Pomiary wykonaliśmy przy zasilaniu 30 V dostarczonym z zasilacza typu DP832A marki Rigol, z kanałami CH1 i CH2 połączonymi równolegle w trybie śledzenia. Obciążenie elektroniczne ustawialiśmy kolejno na 0 A; 0,1 A; 1 A; 2 A; 3 A; 4 A; 5 A; 6 A i 7 A. Górna granica została przyjęta ze względu na możliwości źródła zasilania dostępnego na stanowisku pomiarowym – przy zasilaniu 30 V możliwe było uzyskanie około 168 W na wyjściu. Nie był to zatem test pełnej mocy znamionowej, choć prawie 170 W uzyskane z tak niewielkiego modułu i tak robi wrażenie.

Na wejściu podłączony został kondensator elektrolityczny 470 µF, a na wyjściu (równolegle) jeden kondensator ceramiczny 1 µF i elektrolityczny (także aluminiowy) 10 µF. Radiator zamontowaliśmy tymczasowo z użyciem pasty termoprzewodzącej zawierającej sproszkowane srebro.

Perfekcyjna stabilność zasilania

Od biegu jałowego aż do 6 A woltomierz wskazywał 23,94 V, a przy 7 A wynik spadł zaledwie o… 10 mV! W badanym zakresie uzyskano więc perfekcyjną stabilizację obciążeniową – warto dodać, że katalogowa stabilność wynosi ±0,2% (czyli 48 mV) dla zakresu od zera do pełnego obciążenia. Napięcie było przy tym niższe od nominalnego o zaledwie 0,25…0,29% i to przy pozostawieniu niepodłączonego wejścia TRIM.

Sprawność przetwornicy szybko rosła wraz z obciążeniem: przy prądzie wyjściowym 1 A wynosiła 84,97%, zaś już przy 2 A osiągnęła wartość 91,62%. Maksimum, czyli 92,47%, przypadło na 3 A. Przy 7 A nadal uzyskiwano wynik 91%. Wyniki bardzo dobrze korespondują z katalogową sprawnością 91,5%, choć określoną w dokumentacji dla nieco innych warunków pomiaru (tj. dla zasilania 24 V i pełnego obciążenia).

Na biegu jałowym zmierzona wartość prądu zasilania wyniosła 50 mA. Wynik ten jest wyraźnie wyższy od typowych 10 mA deklarowanych przy 24 V, przy czym trzeba pamiętać, że w naszym teście napięcie wejściowe wynosiło 30 V, czyli było o 25% wyższe niż w warunkach katalogowych. Błąd mógł ponadto wynikać z przepływu prądów wyrównujących pomiędzy kanałami zasilacza, bowiem wartości natężenia były odczytywane wprost z ekranu zasilacza, a nie z zewnętrznego, niezależnego amperomierza.

Tętnienia – niewielka wartość skuteczna, ale wyraźniejsze szpilki

Pomiary oscyloskopowe wykonaliśmy w trybie sprzężenia AC, w paśmie ograniczonym do 20 MHz, z użyciem sprężynki masowej sondy 10:1 oscyloskopu. Rezygnacja z zastosowania przewodu z krokodylkiem na rzecz dedykowanej sprężynki nie tylko stanowi dobrą praktykę pomiarową, ale jest także jedną z zalecanych metod pomiaru w nocie aplikacyjnej firmy Cincon.

Więcej informacji o prawidłowych technikach pomiaru szumów przetwornic DC/DC znajdziesz w tym artykule.

Średnia wartość skuteczna składowej zmiennej wynosiła około 30 mV bez obciążenia oraz 42…49,5 mV przy prądach 0,1…7 A. W zakresie 1…7 A wzrosła ona zatem zaledwie o około 6 mV. Na tle wyjścia 24 V są to naprawdę niewysokie wartości, wskazujące na stabilny poziom tętnień i szumów RMS – widać to zresztą po niewielkiej zmienności kształtu zafalowań na oscylogramach zarejestrowanych przy obciążeniach 1…7 A.

Inaczej zachowywała się natomiast wartość międzyszczytowa, uwzględniająca krótkie szpilki: pomiary oscyloskopowe wykazały średnio około 282 mV przy 1 A i około 500 mV przy 7 A. Najwyższa zarejestrowana wartość przekracza zatem katalogowe maksimum 280 mVpp o kilkadziesiąt procent. Z czego to wynika?

Warto zwrócić uwagę na nieidealne warunki pomiaru – producent określa tętnienia międzyszczytowe przy użyciu kondensatora MLCC (SMD) o pojemności 1 µF, połączonego z kondensatorem tantalowym 10 µF, podczas gdy na stanowisku zastosowaliśmy kondensator elektrolityczny aluminiowy oraz monolityczny, obydwa w technologii THT. Pomimo najkrótszych możliwych połączeń (kondensatory dołączono bezpośrednio do wyjścia przetwornicy) można się spodziewać, że dodatkowe indukcyjności pasożytnicze wyprowadzeń drutowych istotnie wpłynęły na zawyżenie wyniku pomiaru napięcia międzyszczytowego. Jest to zresztą zgodne z obserwacjami na ekranie oscyloskopu – czynnikiem, który najsilniej zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia, jest właśnie amplituda bardzo wąskich szpilek na zboczach sygnału.

Reakcja na sterowanie i zmianę obciążenia

Kolejny test polegał na kontrolowanym załączeniu, a następnie wyłączeniu przetwornicy za pomocą sygnału podanego na wejście ON/OFF. Oscyloskop zmierzył opóźnienie załączenia 23,08 ms oraz wyłączenia 1,82 ms między zboczami sygnału sterującego i napięcia wyjściowego. Rozruch przebiegał bez widocznego nadstrzału ponad wartość ustaloną, co jest bardzo pożądaną cechą badanego modułu.

Próby dynamiczne wykonano natomiast przez mechaniczne dołączanie i odłączanie rezystora dużej mocy o wartości 4 Ω. Przy dołączeniu obciążenia przetwornica w bardzo krótkim czasie (znacznie poniżej 1 ms) zmieniła tryb pracy, co wyraźnie widać na poniższym oscylogramie. Co ważne, odbyło się to bez przestrzału bądź innych widocznych zaburzeń.

Nagłe odłączenie obciążenia wiązało się z powstaniem krótkiego, dodatniego impulsu o amplitudzie około 750 mV, po czym przetwornica błyskawicznie dostosowała tryb pracy do stanu zerowego obciążenia. Nadstrzał wynosił zatem niewiele ponad 3% wartości napięcia znamionowego – bardzo dobry wynik jak na tak gwałtowną zmianę prądu wyjściowego.

Pomiary emisji w komorze TEM

Kolejny pomiar służył wstępnej ocenie emisji RFI modułu. Widma w zakresie 0…50 MHz zarejestrowano po umieszczeniu przetwornicy w komórce TEM i obciążeniu jej prądem od 0 do 6 A, z krokiem co 1 A, przy ustawieniu RBW analizatora widma na wartość 10 kHz i VBW na 1 kHz. Dominujące składowe skupiały się w dolnej części pasma, do około 5 MHz. Najwyższy pik wzrósł orientacyjnie z −34 do −30 dBm, tj. o około 4 dB, mimo zwiększenia mocy wyjściowej od zera do około 144 W. W pozostałych fragmentach widma zmiany były miejscami większe. Należy podkreślić, że przedstawione wyniki nie stanowią pomiaru zgodności z limitami EMC, mają bowiem na celu jedynie zaprezentowanie zachowania przetwornicy w szerokim zakresie zmian obciążenia.

Warto zwrócić uwagę na fakt, iż – poza pracą przy zerowym obciążeniu – widmo w zakresie początkowym (10 MHz) nie zmienia się prawie wcale wraz z obciążeniem. Co więcej, nawet wzrost emisji widoczny w zakresie wyższych harmonicznych jest dość „kulturalny” – wzrost poziomu sygnału (np. w rejonie 25 MHz czy 40 MHz) nie przekracza około 20 dB .

Podsumowanie

Najmocniejszą stroną przetwornicy CQB200-24S24N okazała się perfekcyjna stabilizacja napięcia w szerokim zakresie obciążenia. Zaskakująco dokładna jest także katalogowa wartość sprawności – pomiary wykazały 91…92,5% w zakresie 2…7 A, czyli doskonale korelują z zapisami zamieszczonymi w dokumentacji producenta. Korzystnie wypadła też niewielka zmiana wartości RMS tętnień wyjściowych oraz relatywnie mały wzrost emisji zaburzeń RFI wraz ze zwiększaniem obciążenia. Przy ocenie konkretnej aplikacji warto natomiast uwzględnić zarejestrowane szpilki, które w zastosowanej konfiguracji przekroczyły katalogową wartość międzyszczytową. Wynikało to jednak najprawdopodobniej z zastosowania zwykłych kondensatorów THT zamiast niskoimpedancyjnych komponentów SMD – jest to zarazem doskonały przykład wpływu doboru kondensatorów filtrujących na wynikowe osiągi całego toru zasilania. Tak czy inaczej, uzyskane przez nas wyniki napawają optymizmem i zdecydowanie potwierdzają przydatność przetwornicy CQB200 w urządzeniach wymagających wysokiej stabilności zasilania i dobrych osiągów w zakresie EMC.

Źródła:

1. Cincon, CQB200 Series, Datasheet V10
2. Cincon, CQB200 Series, Application Note V10

Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components

Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com