Сравнение DC/DC от Texas Instruments с её китайским аналогом

Пролог

Почти в каждом устройстве есть напряжение, которое мы зовём входным, и напряжение, которое на самом деле нужно потребителям на плате. Будь то микроконтроллер или какой-то датчик. Чаще напряжение понижают, чем повышают. В этой статье мы затронем преобразователи, которые только понижают.

Для понижения можно использовать разные приёмы. Можно просто превратить разницу напряжений в тепло — так работают линейные стабилизаторы. Помимо такого огромного минуса, как бездарное растрачивание энергии на нагрев, у них есть и свои плюсы, но сейчас не о них. Сегодня мы поговорим об импульсных стабилизаторах напряжения и о том, как не попасться на удочку красивой цифры в даташите. И сравним брендовый западный DCDC с его китайским сводным братом.

Цель

Когда вы выпускаете уже отлаженные устройства массово, обязательными условиями становятся доступность всей элементной базы и её цена. Если вы используете западные микросхемы, то, вполне возможно, уже сталкивались с тем, что цены на них не всегда такие привлекательные, как раньше, а купить их в короткие сроки получается не всегда. Отсюда и мотивация искать альтернативы, например в Китае.

Когда китайский производитель выпускает аналог популярной микросхемы такого мастодонта, как Texas Instruments, возникает соблазн проверить его в деле. Если аналог окажется дешевле и доступнее, а микросхемы, говоря по-эльфийски, pin-to-pin совместимы, можно заменить компонент без новой разводки платы. В нашем случае сравниваем TPS54561 от TI и TPP60508L1 от 3PEAK.

На одном небезызвестном китайском синем сайте-дистрибьюторе TPS54561 стоит $3,86, а TPP60508L1 — $2,30. Разница — $1,56 за штуку. При такой разнице в цене невольно задаёшься вопросом: стоит ли переплачивать?

К этому сравнению меня подтолкнул товарищ с вопросом: почему его DC/DC при 50 В на входе, 24 В на выходе и каких-то 3 А нагрузки греется выше 100 °C, причём даже с небольшим радиатором? Ведь в даташите написано, что микросхема работает до 5 А.

В его устройстве стоял китайский аналог TPS54561 от 3PEAK. Первая гипотеза была простой: похоже, производитель завысил параметры, а оригинальная TI должна работать с бОльшим КПД и вообще не греться. Сразу замечу: микросхемы покупались не на AliExpress, а у обычных отечественных дистрибьюторов. Купили оригинальную микросхему, заменили — нагрев стал чуть меньше, но погоды не сделал. И тут уже стоило спросить себя: а точно ли мы правильно поняли цифры в даташите и условия, в которых обещаны эти параметры?

Небольшие оговорки перед исследованием

Автор не профессиональный разработчик источников питания. На истину в последней инстанции не претендует. Статья скорее для тех, кому DC/DC приходится проектировать время от времени. Если вы senior hardware engineer из NASA, возможно, дальше не найдётся ничего, кроме повода поправить автора в комментариях. Чему автор будет несказанно рад (нет).

Автор видит не в первый раз и базовые навыки владения оным имеет. Измерения выполнялись с игольчатым контактом. Платы были собраны руками опытного пайщика, флюс отмыт. Питание подавалось от лабораторного блока питания, нагрузка — электронная, купленная за много денег. Тепловизор калибровался перед каждым измерением. Руки не тряслись, почти.

Поговорим об испытуемых

TPS54561 и TPP60508 — несинхронные понижающие преобразователи со встроенным верхним MOSFET. Входной диапазон микросхем — 4,5–60 В, заявленный максимальный выходной ток — 5 А. Частоту можно задать внешним резистором в диапазоне 100 кГц–2,5 МГц. Есть настройка плавного запуска, вход синхронизации, сигнал исправности выхода и вывод COMP для внешней компенсации петли регулирования. COMP определяет, как преобразователь реагирует на изменения нагрузки; тема интересная, но отдельной статьи не просит прямо сейчас.

«Несинхронный» здесь означает, что в паузе между включениями верхнего ключа ток дросселя идёт через внешний диод. В синхронном преобразователе эту роль выполняет управляемый нижний MOSFET. Диод упрощает силовую часть, но его прямое падение съедает мощность, особенно когда выходное напряжение намного меньше входного. И здесь сделаем пометочку для себя: заглянув в даташит и увидев там 80 мОм сопротивления верхнего ключа, я бы уже решил, что основным источником нагрева будет диод. По крайней мере, если входное напряжение примерно вдвое больше выходного и время работы ключа и диода близко к 50/50. Об этом подробнее позже.

У 3PEAK в таблице указано типовое сопротивление включённого ключа 80 мОм, у TI — 87 мОм. Если читать на одну колонку правее, максимальное значение у обоих — 185 мОм, причём условия измерения различаются: TI приводит BOOT–SW = 6 В, 3PEAK — 5 В. Эти цифры сами по себе не доказывают ни превосходство аналога, ни обман: типовые значения близки, максимальные совпадают, а условия измерения надо учитывать.

Итак, я как не самый внимательный изучатель даташитов увижу заветные 80 мОм и прикину, сколько тепла достанется ключу и диоду при токе 3 А. Допустим, они работают одинаковое время: каждый проводит по 50% периода. Падение напряжения на диоде пока условно примем равным 0,7 В:

Pключ, проводимость ≈ I² · RDS(on) · D = 3² · 0,080 · 0,5 ≈ 0,36 Вт

Pдиод, проводимость ≈ I · VF · (1−D) = 3 · 0,7 · 0,5 ≈ 1,05 Вт

Динамические потери в принципе тоже есть, но в наших экспериментах частоту меняли в широком диапазоне — от 200 до 700 кГц — и сильной разницы в нагреве не обнаружили. Она была, но погоды не делала. Поэтому для этой предварительной прикидки подробно считать потери переключения не будем, а примем потери ключа около 0,5 Вт. Вместе с примерно 1,05 Вт на диоде получим суммарно около 1,5 Вт. Неприятно, безусловно. Но мы планируем поставить радиатор. Плата будет крупная. И медь не тонюсенькая 0,5 oz, а что-то потолще. Такой прикидкой вполне можно обойтись на первом этапе и решить, что жить оно будет. Это наблюдение относится к нашим испытаниям; для другого VIN, нагрузки и схемы вывод о частоте нужно проверять отдельно.

Сделаем небольшую оговорку. Автор здесь не постулирует эталонный пайплайн разработки источника питания, а пользуется накопленным за годы опытом и «прикидкой». Делает то, что делал его товарищ, и то, как он считает, делают многие.

Дизайн платы

В дизайне друг автора опирался на схему из даташита TPP60508: взял её за основу, скопировав номиналы. Перепроверил их в TI WEBENCH Power Designer. В разводке опирался на референсы TI, даташит на схожий DC/DC от 3PEAK — TPP60506 — и генератор разводки из того же TI WEBENCH Power Designer.

Плата толщиной меди 3 oz, 6 слоёв, то есть толщина меди около 105 мкм. Это довольно толстая медь, даже больше, чем нужно. А так, в целом, всё как всегда: небольшой полигон SW, короткий hot loop, линия FB подальше от шумных цепей. Побольше земли и переходных отверстий в PowerPAD — «пузе» микросхемы.

Тесты и измерения

Начнём с простого: подадим 30 В на входе, 5 В на выходе и нагрузку 2 А. Довольно быстро микросхема начала подбираться к 50 °C. По грубой оценке duty cycle здесь около 5/30 ≈ 1/6, или 17%. Тогда проводниковые потери верхнего ключа при типовых 80 мОм составят всего 0,08 Ом · 2 А · 2 А · 1/6 ≈ 0,053 Вт. На диоде при условном падении 0,7 В получится заметно больше: 0,7 В · 2 А · 5/6 ≈ 1,17 Вт. То есть диод, как и ожидалось, рассеивает основную часть потерь проводимости; однако почти 1,2 Вт казались вполне посильными для крупной платы на шести слоях, с медью 3 oz и размерами 50 × 50 мм. Но микросхема всё равно нагревается заметно. Значит, одной оценкой проводниковых потерь объяснить картину нельзя: к потерям внутреннего ключа добавляются переключения и остальные потери самой микросхемы. К этому ещё вернёмся.

Перейдём к осциллограммам. Они снимались при 16 В на входе и нагрузке 1 А. Разницы между китайской микросхемой и TI в этом режиме не было, поэтому осциллограммы оригинала я опустил. Чтобы не плодить одинаковые картинки, покажу только осциллограммы китайской микросхемы — объекта нашего интереса. Здесь всё работает нормально.

Посмотрим цепи SW, входа и выхода. Пока между микросхемами разницы никакой не видно. Ничего криминального я здесь не вижу: выход стабильный, на SW — обычная для такого преобразователя импульсная форма. На входе заметна небольшая периодическая пульсация — та самая «пила».

На снимках вход TPP60508 держится около 16 В, SW переключается штатно с периодом около 2,4 мкс (частота порядка 400–420 кГц), а выход стабильно держится около 5 В. Ничего необычного на этих осциллограммах не видно.

Для оценки сопротивления верхнего ключа я снял VIN и SW, а осциллограф построил разность каналов. Это другая серия кадров: оба сигнала находятся около 9 В, а не 16(просто для удобства) и тем более не 50 В. Когда ключ включён, SW поднимается почти до VIN; оставшееся падение связано, в частности, с сопротивлением проводящего MOSFET. На математических каналах обеих микросхем видно плато порядка 160–170 мВ. Знак на экране зависит от порядка вычитания каналов.

VIN–SW я измерил, чтобы поискать источник нагрева. На плато ключа видно около 160 мВ при нагрузке 1 А. Это лишь прикидка: ток дросселя пульсирует, поэтому точное сопротивление так не определить. Получается около 160 мОм — примерно вдвое выше типовых 80 мОм, но ниже максимальных 185 мОм, указанных в даташите. Значит, это повод проверить потери ключа, а не доказательство, что производитель обманул. BOOT–SW тоже измерялось — там всё в пределах даташита.

Небольшая серия замеров показывает: с ростом VIN микросхема нагревается быстрее.

Повышение входного напряжения ускорило нагрев в обоих случаях. В отдельных измерениях оригинал нагревался немного меньше, но разница в несколько секунд не даёт объявить его победителем: здесь не хватает повторов и данных о начальной температуре, точке измерения и нагрузке этой конкретной серии. По этим замерам нельзя уверенно сказать, что один производитель обманул, а другой решил проблему. Зато видно, что сам режим заметно влияет на нагрев обеих микросхем.

В другом испытании при 50 В на входе, 5 В на выходе и 3 А микросхема нагревалась примерно до 80–90 °C. При тех же 50 В и 3 А, но с выходом 24 В, температура уходила далеко за 120 °C. Отдельного теплового снимка именно этого режима нет — здесь предлагаю поверить автору на слово.

Почему растёт нагрев с входным напряжением

При увеличении VIN верхний ключ действительно работает меньшую часть периода: для понижающего преобразователя duty cycle примерно равен VOUT/VIN. Но это не означает, что микросхема обязательно будет холоднее. При каждом переключении на ключе меняется почти всё входное напряжение, и пока транзистор не успел полностью открыться или закрыться, через него одновременно идут ток и напряжение. Чем выше VIN, тем больше энергия этих переключений. В первом приближении потери растут как Pперекл ≈ VIN · I · fSW · tr, где tr — суммарная длительность фронтов. Поэтому при большом VIN экономия на меньшем duty cycle может не компенсировать более дорогие переключения.

Это можно проверить и через КПД. Потери всего преобразователя равны Pпотерь = Pвых · (1/η − 1): при той же выходной мощности снижение КПД означает больше тепла, которое распределяется между микросхемой, диодом, дросселем и платой. WEBENCH помогает увидеть такой общий бюджет в расчётных режимах, а график SOA в даташите показывает результат теплового ограничения: при том же выходном токе с ростом VIN снижается допустимая температура окружающей среды. На кривых TI это видно для заданных VOUT и частоты.

Что говорит WEBENCH

Я отдельно пересчитал схему в TI WEBENCH Power Designer на рабочей частоте. На графиках показан режим 30 В на входе, 5 В на выходе; соседние кривые — для 30,5 и 31 В. При токе 3 А модель показывает duty cycle около 18%, а КПД — примерно 88,5% для 30 В. Это сразу подсказывает, что на ключ приходится лишь часть периода, но в диоде, ключе и остальных компонентах всё равно остаётся заметное количество тепла.

Переведём КПД в ватты. На выходе 5 В × 3 А = 15 Вт. При КПД 88,5% на входе нужно примерно 16,95 Вт, значит, около 1,95 Вт превращается в тепло во всём преобразователе. Почти два ватта для маленькой микросхемы и нескольких деталей вокруг — уже совсем не абстрактная цифра. И это расчёт WEBENCH для своей модели и её условий; он не говорит, до какой температуры нагреется наша плата. Но вместе с тепловыми измерениями он показывает, почему силовой узел надо оценивать не только по максимальному току в заголовке даташита.

При проектировании полезно заранее посмотреть графики КПД и duty cycle для нужных сочетаний входного напряжения, выходного напряжения и нагрузки. КПД помогает оценить общее количество тепла, а duty cycle — понять, как примерно распределяется работа между внутренним ключом и диодом. Затем нужно проверить, сможет ли конкретная плата это тепло отвести: учитываются корпус микросхемы, медь, переходные отверстия, диод, дроссель, температура воздуха и обдув. WEBENCH здесь не заменяет измерения, но позволяет заметить тепловую проблему до того, как её обнаружит тепловизор.

Для нашей платы режим 50 В на входе, 5 В на выходе и 3 А нагрузки без активного охлаждения я считаю недостижимым. Даже при 2 А микросхема заметно нагревалась, а график SOA показывает, что с ростом входного напряжения тепловой запас сокращается. 5 А в этом режиме мы не измеряли, поэтому это инженерный вывод по имеющимся замерам и графику, а не результат отдельного испытания.

Вывод

На форуме TI E2E обсуждали похожую ситуацию: TPS54561 сильно грелась на самодельной плате при 48 В на входе, 5 В на выходе и нагрузке 2 А. В ответах обратили внимание на разводку и отвод тепла от площадки микросхемы. Оказалось, что одного списка номиналов из даташита недостаточно — важна ещё и плата.
ссылка:
https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/415689/tps54561-heat-dissipation

Мой товарищ тоже сначала посмотрел на надпись «до 5 А», но не заглянул в графики SOA. А там видно, что допустимый ток зависит от входного напряжения и условий охлаждения. Купили оригинальную микросхему — нагрев уменьшился совсем немного. По нашим измерениям TPS54561 и TPP60508L1 в целом ведут себя похоже, а доказательств, что аналог не соответствует даташиту, мы не получили.

Так что аналог брать можно, но перед этим нужно проверить его параметры, графики SOA и условия, в которых заявлен максимальный ток. А затем проверить тепловой режим уже на своей плате. Цифра «5 А» сама по себе не гарантирует, что микросхема будет холодной или сможет отдать эти 5 А в любом режиме.