ZK-SK150C - универсальный преобразователь напряжения с выходной мощностью до 150 ватт.

Обновлённая и улучшенная модель из семейства популярных недорогих dc/dc преобразователей. Заявленные выходные характеристики: напряжение от 0,5 до 40 вольт, ток до 8 ампер, мощность до 150 ватт. Под катом фото, тесты, измерения, немного пайки — всё как обычно.
На момент публикации в магазине, где покупал, доставка в РФ недоступна, но можно легко найти в других. Этот же товар на озоне: ссылка

В продаже достаточно давно доступны несколько вариантов подобных универсальных конвертеров, разных поколений, от простых платок с управлением потенциометрами до более мощных с графическим дисплеем и цифровым управлением. 

Их объединяет то, что все они построены по топологии SEPIC и могут как понижать, так и повышать входное напряжение. Это очень удобно — выходное напряжение не ограничено входным, как у более распространённых понижающих преобразователей, а значит, вариантов применения может быть намного больше, их можно использовать с большинством доступных блоков питания или аккумуляторных батарей. Ещё одно преимущество — между входом и выходом стоит конденсатор, и при выходе из строя силового ключа входное напряжение не попадёт на выход. Есть у этой топологии и недостатки, обычно у таких преобразователей ниже КПД и выше уровень пульсаций. 

SK150C это самая новая и мощная на данный момент версия.
Рекламные картинки подробно расписывают преимущества:

Характеристики со страницы товара:

Входное напряжение: 7-36 В
Выходное напряжение: 0,5-40 В
Разрешение напряжения: 0,01 В
Точность: ±0,3% + 3 знака (калибруемая)
Выходной ток: 0-8А
Разрешение тока: 0,001 А
Точность: ±0,5%+3 знака (калибруемая)
Выходная мощность: 150 Вт
Память настроек: 11 ячеек
Эффективность преобразования: около 88%.
Размер экрана: 1,8 дюйма, видимый размер 36*29 мм.
Размер корпуса: 83*48*25 мм 

Защитные функции:
Защита от обратной полярности по входу: Да
Защита от обратной полярности по выходу: Да
Защита от пониженного напряжения на входе (LVP): 6,0-40 В, регулируемая, по умолчанию 6,0 В
Защита от перенапряжения на выходе (OVP): 0,5-42 В, регулируемая, по умолчанию 42 В
Защита от перегрузки по току на выходе (OCP): 0,001-8,2 А, регулируемая, по умолчанию 8,2 А
Защита от перегрузки по выходной мощности (OPP): 0,01-180 Вт, регулируемая, по умолчанию 160 Вт
Защита от перегрева (OTP): 30-99 ℃, регулируемая, по умолчанию 60 ℃.
Защита от перегрузки (OHP): 1 минута-99 часов 59 минут, по умолчанию отключена
Защита от перегрузки по емкости (OAH): 0,001-9999 А·ч, по умолчанию отключена
Защита от перегрузки по энергии (OWH): 0,001-4000 кВт·ч, по умолчанию отключена

Упаковка скромная, простая картонная коробочка и пупырка, на стикере название модели и qr-код со ссылкой на файл инструкции. В моём случае в комплекте только сам преобразователь, но можно купить набор с платками-адаптерами для подключения к компьютеру и Bluetooth.

Инструкция (на китайском и английском): http://www.qingdaowuzhi.cn/ins/sk150c/sk150cins.pdf

Выглядит аккуратно и симпатично, цвет корпуса скорее темно-серый, а не черный как на рекламных рендерах: 

Эргономика и управление действительно заметно улучшились, резиновые кнопки намного удобнее мембранных на старых моделях. При активации выхода кнопка включения подсвечивается. Нужно отметить, что размеры корпуса немного больше, чем у большинства подобных модулей, будьте внимательны при апгрейде. Размеры монтажного отверстия:

Вид с обратной стороны, конструкция типичная для подобных устройств, в корпусе одна над другой установлены две платы, на нижней экран, кнопки управления и микроконтроллер, на верхней все силовые компоненты.

На плате снаружи расположены транзистор и диодная сборка на радиаторе, два одинаковых дросселя, проволочный шунт для контроля и измерения выходного тока, электролитические конденсаторы (два внешне похожи на полимерные, ещё два обычные с надписью Sanyo на термоусадке). На менее мощных моделях тепло отводилось через пластик корпусов smd-компонентов, эффективность такого охлаждения была невысокой. Здесь же силовой ключ и диодная сборка прикручены к небольшому радиатору с вентилятором. Для сравнения, фото платы более старой модели ZK-4KX со снятым радиатором:

Вентилятор типоразмера 30х30х10 мм. Включается в зависимости от нагрузки и температуры платы, регулировка оборотов отсутствует, впрочем, вентилятор негромкий.

Силовой транзистор NCE8295A (82 вольта 6,6 мОм), сборка диодов Шоттки MBR20100 и манганиновый шунт:

В правом верхнем углу платы разъёмы для подключения внешнего термодатчика и адаптеров bluetooth/usb:

Клеммник разъёмный, похожие применяются в преобразователях от RdTech. На плате и на корпусе есть маркировка клемм, перепутать сложно.

Разбирается преобразователь очень легко, обе платы держатся в корпусе на защёлках.

Обратная сторона силовой платы, часть компонентов запаяна вручную, флюс не отмыт, но в целом к качеству сборки и пайки вопросов нет.

Отмываем и рассмотрим плату поподробнее:

1. Транзистор защиты от переполюсовки по входу, NCE6045G, 60 вольт 10 мОм. 
2. По центру микросхема ШИМ-контроллера FP5139 с обвязкой, слева транзистор и стабилитрон параметрического стабилизатора питания, справа один из операционных усилителей цепей измерения и стабилизации напряжения/тока. Внизу слева виден терморезистор (RT1). 
3. Импульсный понижающий преобразователь XL1509 на 5 вольт, обеспечивает питание дисплея и микроконтроллера. 
4. Выходная часть: дополнительный фильтрующий дроссель и керамические конденсаторы, нагрузочный резистор 2 килоома, диод защиты от обратной полярности.

Нарисовал примерную схему основных компонентов силовой части:

Некоторые замечания по схемотехнике:
1. Транзистор защиты от переполюсовки по входу. Да, свою функцию он выполняет, но при работе преобразователя «на повышение», когда входное напряжение невелико, а выходная мощность близка к максимальной, на этом транзисторе будут слишком большие потери. Например, при минимальном входном напряжении 7 вольт потери составят, без учета КПД: (150 Вт/7 В)² * 0,02 Ома ≈ 9 Вт, при такой мощности транзистор либо отпаяется, либо просто сгорит. Поэтому для работы на больших токах его лучше закоротить — если конечно вы не планируете постоянно подключать преобразователь к разным источникам питания.
2. Входной ток никак не контролируется, его ограничение могло бы частично решить проблему п.1.
3. Нет предохранителей ни по входу ни по выходу.
4. Диод (4007) защиты от переполюсовки по выходу полностью бесполезен, так как включен фактически параллельно силовой сборке Шоттки, которая имеет меньшее падение.
5. Цепи измерения и обратной связи построены на ОУ GN358A, это клон LM358. Не понимаю, зачем разработчики упорно продолжают использовать эти чипы в точных схемах, ведь китайская промышленность давно выпускают множество недорогих ОУ с характеристиками намного лучше, чем у древней LM358.
6. Резистор 2к на выходе, для минимальной нагрузки преобразователя и разряда выходных емкостей. Просто и дёшево, но не лучшее решение.
7. Как я уже писал выше, входная и выходная части разделены конденсатором, это плюс с точки зрения безопасности подключенной нагрузки.

Плата управления:

Управляет устройством клон STM32F103 от MindMotion.

Включаем:

Экран очень яркий, по вертикали углы обзора хорошие, при повороте влево-вправо изображение теряет контрастность. В сравнении с RK6006 экран крупнее, такой же яркий, но уступает по углам обзора, контрастности и разрешению. На основном экране вся необходимая информация: заданные и измеренные напряжение и ток, мощность, индикаторы режимов работы и активной ячейки памяти. Вольтметр/амперметр работают быстро, по ощущениям показания обновляются больше пяти раз в секунду.

Управление достаточно простое и интуитивно понятное, для установки параметров нажимаем V-set/I-set и поворотом энкодера вводим нужное значение, нажатие на энкодер переключает разряд; единственное, что мне показалось неудобным — активный разряд не запоминается, всегда начинаем с младшего.

Вне режима ввода поворот энкодера переключает вкладки индикации и настроек, всего их пять:
1. Основной экран
2. Дополнительный, счетчики времени и отданной энергии, а также индикатор входного напряжения
3. Режим графика, обновляется около 2 раз в секунду, кнопкой OK можно изменить масштаб напряжения/тока.
4. Окно настроек, в инструкции есть описание, но на всякий случай напишу подробнее:
  -Звук
  -Автоотключение экрана при бездействии
  -Порт для подключения
  -Заставка при включении
  -Калибровка ноля
  -Калибровка напряжения
  -Яркость подсветки
  -Язык, по умолчанию китайский
  -Скорость обмена данных
  -Автовключение выхода при подаче питания
  -Сброс настроек на заводские значения
  -Калибровка тока
5,6. Настройки ячейки памяти по умолчанию, а также настройки всевозможных ограничений и защит. Тут можно задать отключение по времени, по отданной ёмкости или энергии, также есть защита по минимальному входному напряжению, это необходимо при питании от аккумуляторов, чтобы не допустить их переразряда. Не хватает настройки отключения по минимальному току, было бы полезно для заряда аккумуляторов.

Преобразователь поддерживает управление из приложения на компьютере или телефоне на Android, но у меня комплектация без дополнительных адаптеров и поэтому этот функционал в обзоре не рассматривается.

Переходим к тестированию, вначале проверка точности установки и измерения напряжения и тока. В качестве эталона использовался мультиметр UT171B. 

Заявленная погрешность по напряжению ±0,3% + 3 младших знака, реальные значения в пределах допуска. Присутствует небольшой дрейф напряжения от температуры. Меньше чем 0,5 В задать можно, но напряжение будет колебаться, а преобразователь начнет мигать подсветкой, сигнализируя о недопустимом значении.

С током все печальнее, в начале диапазона погрешность больше заявленных ±0,5% + 3 знака (в таблице отмечено цветом). Пробовал откалибровать, но это не особо помогло, так как есть значительная нелинейность, а точки калибровки (500 мА и 2,5 А) изменить нельзя. Также, показания на малых токах заметно зависят от температуры, использовать LM358 в точных схемах — плохая идея. Минимально можно задать ограничение 50 мА. 

Можно заметить, что почти всегда измеренные преобразователем значения полностью совпадают с заданными; это не случайность и не заслуга хорошей калибровки, а программная «подгонка» измерений. Когда измеренное значение близко к заданному, начинает отображаться именно заданное значение. Реальной пользы от такого решения я не вижу, видимо сделали, чтобы на экране всё было красиво и пользователю меньше бросалась в глаза погрешность измерения. Когда-то давно встречал похожий трюк в каком-то сетевом релейном стабилизаторе, на индикаторе почти всегда горело 230V, независимо от реального напряжения на выходе :)

Нагрузочные тесты.

С отключенным выходом преобразователь потребляет от источника питания от 30 до 110 мА, или от 0,4 до 1,5 ватта, в зависимости от входного напряжения и яркости подсветки. 

Оценку КПД проводил при напряжении на входе 12 и 24 вольта, так как блоки питания на такое напряжение встречаются чаще всего. Падение на проводах не учитывалось, поэтому реальные значения эффективности могут быть чуть больше, но не думаю что это критично.

По графикам видно, что: 1) преобразователь эффективнее всего работает при небольшой разнице напряжений между входом и выходом; 2) при повышении напряжения КПД выше, чем при понижении. В целом, эффективность преобразования не очень высокая, это один из минусов применённой топологии.
Также, проверил зависимость КПД от входного напряжения:

Источники питания меньше 12 вольт использовать нерационально.

Нагрев под нагрузкой:

При работе на понижение при максимальной мощности сильнее всего греется диодная сборка и участок платы в районе выходных конденсаторов, там расположен фильтрующий дроссель, видимо потери на нём слишком велики.

В режиме повышения при больших токах транзистор защиты от переполюсовки очень быстро прогревает плату до температуры больше 100°, проверять работу (и наличие) термозащиты я не стал. При работе от источника менее 12 вольт выходную мощность нужно ограничивать до 50-100 Вт.

В целом, если не учитывать нагрев защитного транзистора, в большинстве режимов какого-то критичного перегрева я не увидел.

Для измерения пульсаций, как обычно, щуп подключался с помощью пружинки напрямую к клеммнику. Ещё во время нагрузочных тестов я обратил внимание, что при выходном токе больше 2-3 А преобразователь начинал довольно громко и неприятно пищать. Ну а на экране осциллографа причина стала видна наглядно — с ростом тока на выходе возникали пульсации с частотой несколько килогерц и размахом до 0,4-0,5 В. Причём они появлялись при любом сочетании входного/выходного напряжений. 

Также можно отметить довольно высокий уровень электромагнитных помех — даже на расстоянии от преобразователя щуп осциллографа начинал ловить от него наводки, ну и по уровню «иголок» на осциллограммах это видно.

Переходные процессы:

Входное 12 В, выходное 5 В, бросок тока длительностью 5 мс 0,8 — 7,9 А и обратно, на преобразователе задано ограничение 8 А: 

Входное 12 В, выходное 24 В, бросок тока 5 мс 0,5 — 5 А, ограничение 8 А:

Входное 24 В, выходное 5 В, КЗ 5 мс, ограничение 8 А:

Уровень пульсаций явно запредельный для такого устройства, с этим нужно было что-то делать. Рассмотрев внимательно плату, я предположил возможную причину такого поведения, делитель обратной связи по напряжению был подключен после фильтрующего дросселя, напрямую к выходным клеммам. При таком включении компенсируется падение напряжения на дросселе, но его индуктивность, включенная в цепь обратной связи, создает фазовые задержки. Если упрощать, то обратная связь начинает работать с большим запаздыванием, что может приводить к неустойчивой работе и автоколебаниям. Вот такой парадокс, разработчики поставили дроссель, чтобы уменьшить пульсации, но в результате их уровень только вырос ;) Лучше бы вместо дросселя поставили предохранитель.
Для решения проблемы я перенёс подключение конденсатора частотной коррекции делителя обратной связи, включив его до дросселя.

Фото крупнее, нужно перерезать перемычку между С10 и R28 и соединить правый вывод С10 с верхним выводом дросселя. 

Решение может быть неидеальное, но оно сработало: картинка слева до переделки, справа после.

На больших токах амплитуда пульсаций (без учёта иголок) уменьшилась почти в десять раз, паразитные колебания исчезли, остались только пульсации на частоте преобразования. Писк пропал полностью.

Заодно выпаял транзистор защиты от переполюсовки: 

Термофото после удаления защитного транзистора, преобразователь повышает напряжение, входной ток около 14 А:

Теперь в этом режиме сильнее всего греется ключ, но даже при длительной работе температура остаётся в пределах допустимого.

Ну и раз уж взялся дорабатывать схему, решил поступить как настоящий аудиофил и проверить, как повлияет замена ОУ на точность измерения и стабилизации тока. Вместо GN358A (U1 на плате) поставил более стабильный КМОП ОУ TP1242:

После замены звук кардинально поменялся: сцена расширилась, появился плотный и упругий бас, высокие частоты приобрели прозрачность и кристальную чистоту.
Короче, после калибровки тока получаем такие замеры, было — стало:

Теперь все показания вписываются в заявленную погрешность, хотя небольшая нелинейность все-таки присутствует. Также заметно уменьшился дрейф при прогреве. Каких-то значимых изменений поведения на переходных процессах после доработок я не заметил, поэтому осциллограммы не сохранял.

Что можно сказать в итоге, этот преобразователь однозначно мощнее и удобнее в работе по сравнению с предшественниками, при этом он относительно недорогой и имеет универсальное питание. Но есть и довольно серьёзные недостатки, в первую очередь это очень высокий уровень пульсаций и перегрев в некоторых режимах. Хотя, думаю, многие покупатели эти минусы даже не заметят. Что до меня, то я бы предпочёл устройство пусть и немного дороже, но без указанных в обзоре недостатков.

На этом всё, надеюсь, что было полезно, если есть вопросы, с удовольствием отвечу в комментариях.