Заказной анализ схемы на ZXSC300.

[Dhaitya]

Заказчиком был предоставлен конвертор на ИМС ZXSC300.
Целью Заказчика было получение ответов на вопросы:
1. Имеются ли в данном устройстве существенные нарушения или схемотехнические ошибки, снижающие его надёжность для подземных условий эксплуатации?
2. Каковы эффективность устройства и пути её повышения при возможной недостаточности?

При исследовании было установлено, что данное устройство не является стабилизатором выходного тока, мощности или напряжения и что характеристики, заявленные продавцом - "- 800mAh Regulated Output for Cree and SSC 3.7V emitters, - Accepts 3.6V ~ 9V input power", также являются ложными.
В диапазоне напряжений питания 3.016В-8.00В данное устройство обеспечивало ток нагрузки, повышающийся линейно от 0.92А при питании 3.016В до 1.5А при питании 8.00В.

Анализ схемы нарушений и ошибок не выявил. Тем не менее, замер характеристик подтвердил ранее полученную информацию о малой пригодности ИМС серий ZXSC300-ZXSC400 для управления полевыми транзисторами ввиду высокого выходного сопротивления выходного каскада:

Напряжение питания 3.016В, затвор ПТ, 2В/дел, 2мкс/дел.

Напряжение питания 3.016В, сток ПТ, 1В/дел, 2мкс/дел.

Напряжение питания 3.016В, сток ПТ, 1В/дел, 200нс/дел.

Напряжение питания 4.00В, затвор ПТ, 1В/дел, 1мкс/дел.

Напряжение питания 4.00В, затвор ПТ, 2В/дел, 2мкс/дел.

Напряжение питания 4.00В, сток ПТ, 2В/дел, 1мкс/дел.

Напряжение питания 4.00В, сток ПТ, 2В/дел, 200нс/дел.

Напряжение питания 5.00В, затвор ПТ, 2В/дел, 500нс/дел.

Напряжение питания 5.00В, затвор ПТ, 2В/дел, 1мкс/дел.

Напряжение питания 5.00В, сток ПТ, 2В/дел, 1мкс/дел.

Напряжение питания 5.00В, сток ПТ, 2В/дел, 200нс/дел.

Напряжение питания 6.00В, затвор ПТ, 2В/дел, 500нс/дел.

Напряжение питания 6.00В, сток ПТ, 2В/дел, 200нс/дел.

Напряжение питания 6.00В, сток ПТ, 2В/дел, 500нс/дел.

Напряжение питания 8.00В, затвор ПТ, 2В/дел, 500нс/дел.

Напряжение питания 6.00В, сток ПТ, 5В/дел, 500нс/дел.

Напряжение питания 6.00В, сток ПТ, 5В/дел, 200нс/дел.

Из осциллограмм видна недопустимо малая скорость роста напряжения на затворе ПТ. Таким образом, нормальное переключение происходит только благодаря применению ПТ с низким пороговым напряжением, около 0.6В.
Это обстоятельство ограничивает возможности увеличения выходной мощности устройства посредством доработок и замен, поскольку большая мощность требует ПТ с большим максимальным током стока, а такой ПТ будет обладать ещё большей входной ёмкостью, чем имеющийся и переключение будет происходить ещё медленне, что снизит эффективность схемы до недопустимых значений и приведёт к перегреву ПТ.
Таким образом, максимальная, с учётом всех доработок, выходная мощность схемы ограничивается значением порядка 10Вт из-за плохого согласования с переключающим транзистором.
Для сравнения приведены образцовые осцилограммы сигнала на затворе и стоке мощного ПТ IRF1405, управляемого специальным драйвером:

Сток.

Затвор.

Через 36 минут работы при напряжении питания 8.00В произошёл выход из строя ПТ. Анализ схемы и режимов компонентов причину не установил. Тем не менее, спонтанный отказ вынуждает дать однозначно отрицательную рекомендацию возможному использованию данного устройства в подземных работах. Заказчику рекомендуется провести включение имеющихся у него образцов при напряжении питания 8.00В и возможно большей, до +100 град. С температуре, на срок от одной недели для сбора статистики отказов и при выходе из строя хотя бы одного образца заменить используемые в устройствах ПТ ZXMN2A01F на IRLML2502.

Также был проведён замер амплитуды пульсаций выходного напряжения на нагрузке.
Напряжение питания 6.00В, 50мВ/дел, 1мкс/дел.

Малый уровень пульсаций позволяет оставить имеющиеся входной и выходной конденсаторы без замены.

Был проведён замер эффективности, среднее значение составило 0.88, максимальное - 0.92. Такие значения следует признать хорошим результатом для данного устройства. Дальнейшее повышение эффективности возможно за счёт уменьшения потерь проводимости в диоде обратного хода, а также статических и динамических потерь в индуктивности. Возможный выигрыш составит 2-6%, его достижение экономически нецелесообразно.
Анализ схемы в целом выявляет классический недостаток понижающей топологии: при выходе из строя переключающего транзистора нагрузка оказывается подключена к питанию напрямую, при этом, в случае использования в её роли светоизлучающего диода, его выход из строя неизбежен.
Дальнейший анализ будет направлен на изучение работы с устройства с ПТ IRLML2402 и IRLML2502.

Приложение.
Документация на ИМС ZXSC300
Документация на ПТ ZXMN2A01F
Описание конвертора.

 

[Crazy_Led]

[Бан на 7 дней] - примечание модератора.

 

[suslik]

Тесты производились на одном экземпляре микросхемы?

 

[Dhaitya]

Да, тесты проводились на одном экземпляре конвертора.

 

[iprit]

Удивляют сразу несколько вещей..
Во-первых, несоответствие описаний конвертора, представляемых производителем и продавцом (даны разные значения Vin и Iout).
Во-вторых - то, что производитель предполагает питать 3Вт СИД током в 1.1 А (мне неизвестны 3х-ваттные СИД с таким рабочим током..).
ЗЫ Сам все больше склоняюсь к линейному варианту питания (от 4х никелевых акк., через токовый драйвер), как к более надежному и простому.. (пусть и с потерей 10-20% КПД)

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Были проведены испытания устройства с ПТ IRLML2402 и IRLML2502. Целью испытаний были получение значений эффективности устройства и определение пригодности ZXSC300 к управлению маломощными ПТ на основе сравнения характеристик управления.

При напряжении питания 3В запуск схемы не происходил и все потери относились к статическим. При повышении питания и запуске генерации эффективность скачкообразно падала из-за добавления динамических потерь переключения ПТ. Как видно из таблицы, динамические потери составляют 7-10% и увеличиваются с ростом напряжения питания.
Был проведён дополнительный анализ работы устройства с целью выяснения причин выхода из строя ПТ, установленного изначально - ZXMN2A01F.
В результате удалось установить, что ПТ вышел из строя из-за перегрева.
Перегрев же транзистора возник из-за большого уровня динамических потерь в нём.
Таковой уровень потерь объясняется малой нагрузочной способностью выходного каскада ИМС ZXSC300 и её фактической неспособностью управлять полевыми транзисторами.
Данное обстоятельство, - применение непригодной элементной базы, сочетается с топологическими ошибками конструирования печатной платы, что привело, в конечном итоге, к невозможности сброса избыточного тепла и повышению температуры ПТ значительно выше предельно допустимой.
Действительно, отказ ПТ произошёл на уровне выходной мощности 5Вт и при эффективности ~0.72, т.е. общей мощности потерь, равной 1.94Вт. Предполагая, что до 40% потерь приходилось на ПТ, можно вычислить его тепловую мощность в данном случае. Она составила ~0.78Вт, что должно было привести к росту температуры внутри него до уровня +180 град. С и выше, что многократно превышает допустимое значение для данного ПТ.
Для иллюстрации приводится синтетическое изображение, полученное совмещением наблюдательной термограммы устройства с его же фотографией. Слой термограммы дан в условных цветах.

Красным цветом показаны участки, достигшие температуры более +95 град. С за 5 секунд после включения при питании от напряжения 7.0В с ПТ IRLML2502 и нагрузкой 5Вт. Виден перегрев ПТ и диода обратного хода. Через небольшое время этот диод также вышел из строя из-за перегрева.

Проведённые работы позволяют со всей очевидностью сделать вывод, что данное устройство не может использоваться в качестве источника электропитания.
Заказчику рекомендуется снять данные устройства с эксплуатации и провести их списание.

Также возможным вариантом решения возникшей проблемы является модификация устройства.
Следует снизить среднюю отдаваемую конвертором мощность, чтобы уменьшить тепловые потери и перевести его в более благоприятный для компонентов режим.
Для этого необходимо:
1. резистор R1 снять.
2. отрезок проволоки ПЭЛ, ПЭВ или подобный, длиной 35-39 мм и диаметром 0.16-0.18 мм по лаку, облудить с двух сторон на длину 1 мм.
3. сложить проволоку вдвое, облуженными выводами в одну сторону.
4. образовавшуюся U-образную линию свить вместе, перекрутив без натяжения с шагом 2-3 мм и избегая повреждения лаковой изоляции.
5. выводы линии подключить на место R1, саму линию можно компактно смотать или сложить.
При этой замене выходная мощность устройства будет снижена до значения 1.43Вт при питании от напряжения 7В. Заменять имеющийся ПТ ZXMN2A01F в этом случае не нужно. Питать модифицированную схему можно от напряжений 3.0-6.0В. Её характеристика дана в нижней части таблицы.

Сложившаяся ситуация заставляет дать крайне негативную оценку компонентам производства ZETEX SEMICONDUCTORS и доступным в продаже схемам на их основе. Очевидно, что эксплуатация их в практике подземных работ допустима только в случае тщательно и всесторонне проведённого анализа работы устройства, где они используются.

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Характеристики 2-х дополнительных образцов приведены в таблице.

Различие в 1.45 раза между образцами объясняется отличающимися пороговыми напряжениями токовых компараторов ИМС и разными выходными сопротивлениями каскадов управления ПТ.

Испытания при напряжении питания большем 6.00В не проводились, т.к. перегрев ПТ и ДШ наступал уже при 6.00В. По этой же причине термострессовые испытания были признаны избыточными, ввиду предсказуемости результата.

Заказчику рекомендуется ограничить напряжение питания устройств значением 5.2В с заменой резистора R1 или без неё. При необходимости питания от напряжений до 6.00В, рекомендуется провести замену R1 20mR на 24-27mR.

 

[gross]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

На http://www.pitaemled.biz/zxsc300.html увидел аналогичную схему.
Допустимо ли в ней использование, цитирую "ZXTN2007G, либо подходящий по мощности низкопороговый (работающий от 2 В) n-канальный Power MOSFET например IRLR024N, IRLU024N, IRF7811A, IRF7809A, IRF7807 и др." ?

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Относительно таблицы образцов, потери увеличатся:
IRLx024 - в 3.5 раза.
IRF7811A - в 5.2 раза.
IRF7809A - в 20 раз.
IRF7807A - в 4 раза.
Допуск ~30%.

ZXTN2007G - биполярный прибор. Его усиление на требующемся токе коллектора таково, что выходной каскад серии ZXSC300-400 не сможет обеспечить его достаточным током базы.

В данном приложении можно применить:
ПТ:
IRLML2502, IRLML2402, Si2302ADS, Si2312BDS, FDN335N, FDT439N, MGSF2N02EL, NTR4501N.
БТ:
FZT1049A, FMMT617, FZT1047A, ZTX1047A, ZXTN07012EFF, ZXT13N15DE6, FZT1048A, ZXT13N20DE6, ZTX1049A.

Вероятно, изначально эти ИМС разрабатывались д/управления маломощными БТ с током коллектора 0.5-0.8А и соответствующим усилением 200-300. Либо брались решения уже готовых, но малоподходящих каскадов управления.
Решением проблемы является установка на выход ИМС простого драйвера из 2-х эмиттерных повторителей на БТ с подходящими параметрами.

 

[Mazayac]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Решением проблемы является установка на выход ИМС простого драйвера из 2-х эмиттерных повторителей на БТ с подходящими параметрами.

Достаточно ли будет такого решения для управления ПТ (соответственно, схема на ZXC400, вариант - Step Down, Vin=4...6V, Vout=3.5V, Iout=0.35...1.0A) или по результатам исследования возможны еще какие-нибудь подводные камни?
С уважением, Алексей.

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Применение драйвера возможно, но избыточно в случае токов нагрузки <0A42, когда можно использовать ПТ с малой входной ёмкостью из списка выше.
Подводный камень - разброс по параметрам, втч возможно предположить и разброс по выходному току управления. Это относится к случаю с отсутствием драйвера.
При необходимости используйте драйвер на 2-х скоростных БТ включенных эмиттерными повторителями. Вообще, драйвер позволит увеличить выходную мощность преобразователя на 1-1.5 порядка.

 

[Mazayac]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Спасибо за оперативный ответ. Также с интересом изучил "вернувшиеся" в тему осциллограммы.
В готовом изделии будут использованы: ZXSC400 (надеюсь, со стабилизацией тока будет получше, т.к. ток в схеме Step-Down измеряется непосредственно в цепи светодиода), ПТ IRLML2502 и драйвер на БТ BC807 и BC817.

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

...ZXSC400 (надеюсь, со стабилизацией тока будет получше, т.к. ток в схеме Step-Down измеряется непосредственно в цепи светодиода)...

Если имеется в виду одна из схем, предлагаемых производителем, то это не классические понижающие конверторы, а скорее, pseudo-SEPIC with "off-line load", i.e. without common GND.
Вообще, в серии ZXSC300-400 контроль тока нагрузки может быть осуществлён только у ZXSC400 по входу FB и только когда ток нагрузки течёт ч/землю, что достижимо лишь в случае использования многообмоточного дросселя (т.н. "трансформатора обратного хода").

...ПТ IRLML2502...

Помните о теплоотводе!

 

[Mazayac]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

За основу берется схема рис.8б с этой странички: http://www.pitaemled.biz/zxsc400.html

Для теплоотвода будут использованы полигоны на свободных местах платы, спасибо за напоминание.

 

[Dhaitya]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Primo: рекомендую сх.8.
Secundo: 8б не содержит цепи стабилизации тока СИД - #FB connected to #GND. 8 также не содержит, но в ней наличествует цепь коррекции частоты, сглаживающая эффект ухода тока - C4, R3, R1.

 

[Mazayac]

Ответ: Заказной анализ схемы на ZXSC300.

Ох уж эти нестандартные схемы включения...
Придется погонять её в разных режимах, если будет уплывать ток - вернусь к менее бюджетному и менее компактому варианту из стандартной микросхемы Step-Down (MIC4680 есть штук двести под рукой) + ОУ для ОС по току.