Tento modul vyrába spoločnosť QSKJ, značka čínskej spoločnosti Satistronix Group Limited, ktorá sa špecializuje na výrobu takýchto meničov a na svojich stránkach má množstvo rôznych typov. Konkrétny model QS-1224CBD, je veľmi obľúbený a možno ho kúpiť u rôznych predajcov. Na stránkach QSKJ si môžete objednať aj samotnú PCB za asi 1,85 USD. Na stránkach AliExpress zaň zaplatíte približne 4 €.

Kde kupiť?

10-32V to 12-35V Step Up CV CC 150W 10A DC DC Boost Converter - klikni (Aliexpress)

Čo je QS-1224CBD?

Tento modul je takzvaný "neizolovaný buck-boost DC/DC menič". Neizolovaný, preto, že vstupné a výstupné napätie nie sú galvanicky oddelené, ale majú spoločný záporný pól (zem). Modul je kompletný obvod, ktorý premieňa určité jednosmerné napätie na vstupe na jednosmerné napätie s inou veľkosťou na výstupe. Veľkosť výstupného napätia možno nastaviť pomocou malého trimra na doske plošných spojov. Mimochodom, tento trimer je možné nahradiť potenciometrom o rovnakej hodnote. Tento obvod sa nazýva aj "step-up", čo znamená, že výstupné napätie bude vždy o niečo vyššie ako privádzané vstupné napätie. Vstup môžete napájať napríklad z 12 V olovenej batérie a na druhej strane meniča môžte získať jednosmerné napätie  o veľkosti 18,5 V alebo 24,0 V na napájanie napríklad notebooku v aute. Modul, zobrazený na fotografii nižšie, má rozmery 65 mm x 47 mm x 27 mm a váži 60 gramov. Dva polovodiče sú naskrutkované na chladiče s rozmermi 46 × 20 × 10 mm.

Špecifikácie QS-1224CBD

• Vstupné napätie: 10 V_dc ~ 32 V_dc
• Vstupný prúd: max. 10 A bez dodatočného chladenia
• Vstupný prúd: max. 16 A s aktívnym chladením
• Výstupné napätie: nastaviteľné, 12 V_dc ~ 35 V_dc
• Príkon: max. 100 W bez dodatočného chladenia
• Príkon: max. 150 W s aktívnym chladením
• Účinnosť: typicky 94 %
• Zvlnenie na výstupe: max. 2 %
• Kľudový prúd: typicky 25 mA
• Stabilita vstupu: ±0,5 % typicky
• Stabilita výstupu: ±0,5 % typicky
• Teplota pri maximálnom zaťažení: typicky 45 °C
• Čas odozvy: typicky 200 μs

Elektronika v module QS-1224CBD

Obvod QS-1224CBD sa skladá z obvodu UC3843A od spoločnosti Texas Instruments. Ide o regulátor PWM riadený prúdom. Tento čip pracuje s hodinovou frekvenciou približne 50 kHz na riadenie N-MOSFET. Šírka impulzu je nastaviteľná (modulácia šírky impulzu), čo vytvára riadiaci systém zodpovedný za nastavenie výstupného napätia. Oba chladiče obsahujú N-MOSFET HY1707 s RDS(ON) iba 6 mΩ a Schottkyho diódu MBR2045CT. Ide o dvojitú diódu, z ktorej sa používa len jedna. Medzi dvoma chladičmi sú vtesnané dva elektrolytické kondenzátory s kapacitou 1 000 μF, čo vyvoláva obavy z maximálnej teploty, ktorej sú tieto časti vystavené. Na druhej strane dosky plošných spojov, zobrazenej na obrázku nižšie, rozpoznávame ako hlavné komponenty stabilizátor napätia 78L10, UC3843A a veľký rezistor SMD 0,01 Ω.

Pomocou katalógového listu UC3843A a dobrej lupy možno s dostatočnou istotou zrekonštruovať schému tohto modulu, nakoľko nie je veľmi zložitá, ale hodnoty rezistorov a kondenzátorov sa, žiaľ, nedajú určiť. Napájanie UC3843A zabezpečuje 10 V LDO stabilizátor 78L10. Veľké elektrolytické kondenzátory medzi chladičmi sú samozrejme kondenzátory C1 a C6. Sú medzi vstupným napätím a zemou a medzi výstupným napätím a zemou. Pomocou malého trimra R7 sa časť výstupného napätia privádza späť na pin 2 UC3843A. Obvod funguje takto. Ako už bolo spomenuté, UC3843A poskytuje šírkovo modulovaný impulz na pine 6. Pomer zapnutia a vypnutia tohto impulzu určuje veľkosť výstupného napätia. Ak je tento impulz v úrovni "H", MOSFET T2 sa uvedie do vodivého stavu. Z V_IN+ potom tečie veľmi veľký prúd cez cievku L1, MOSFET T2 a rezistor R6 (0,01 Ω) do V_IN-. Cievka L1 sa však bráni toku prúdu tým, že na sebe vytvára veľké protinapätie. Ľavá strana je záporná, pravá strana kladná. Dióda D1 zabraňuje skratu výstupného napätia voči zemi cez MOSFET. Keď je impulz v úrovni "L", MOSFET sa obráti. Napätie na L1 je teraz v sérii so vstupným napätím medzi zemou a anódou diódy D1. Táto dióda začne viesť a výstupné napätie bude vyššie ako vstupné napätie. Toto výstupné napätie je ďalej vyhladené kondenzátorom C6.

Testovanie QS-1224CBD

Testovacie podmienky

Keďže modul QS-1224CBD je predávaný ako samostatný modul, ktorý umožňuje napájať všetky druhy zariadení z 12 V batérie, vychádzalo sa pri testoch z tejto situácie. Modul je napájaný z 12 V zdroja, ktorý môže dodávať až 30 A. Tento zdroj má na svojom výstupe sadu kondenzátorov 10 x 1 000 μF. Vstupy a výstupy QS-1224CBD sú osadené kondenzátormi 100 nF. Výstup je zaťažený elektronickou záťažou s konštantným prúdom.

Rozsah výstupného napätia bez zaťaženia

Pri vstupnom napätí 12,05 V môžeme pomocou trimra na doske plošných spojov nastaviť výstupné napätie v rozsahu od 11,85 V do 35,78 V. Výstupný kondenzátor C6 má prevádzkové napätie len 35 V, preto nie je veľmi rozumné nastavovať výstupné napätie vyššie ako 30 V.

Stabilita výstupu

Stabilita výstupu udáva stálosť výstupného napätia v závislosti od veľkosti výstupného prúdu. Z poklesu výstupného napätia môžete pomocou Ohmovho zákona vypočítať vnútorný odpor meniča. Keďže maximálny výkon je stanovený na 100 W bez dodatočného chladenia, výstupný prúd je obmedzený na 5 A. Výsledky sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke. V rozsahu zaťaženia od 0 A do 5,00 A klesne výstupné napätie o 127 mV. To zodpovedá vnútornému odporu 25,4 mΩ.

Šum a zvlnenie výstupného napätia

Výstupné napätie sa meria na svorke pomocou 1/10 sondy osciloskopu. Na nasledujúcom obrázku sú zobrazené výsledky bez záťaže (vľavo) a so 100 W záťažou (vpravo). Všimnite si, že citlivosť nie je na oboch oscilogramoch nastavená rovnako: 200 mV/div bez záťaže oproti 500 mV/div so záťažou. Výsledky tohto merania sú dosť šokujúce:

• Bez záťaže: 507,0 mV  47,49 mV efektívne
• Zaťažené: 1,537 V od špičky po špičku a 199,5 mV efektívne

Dlhodobá stabilita

Pri tomto teste sa výstupné napätie modulu v studenom stave nastaví na 24,0 V a pripojí sa záťaž 100 W (4,3 A). Stabilita výstupného napätia sa meria ako funkcia v čase. Z nasledujúceho grafu vyplýva, že modul má záporný teplotný koeficient. Výstupné napätie klesne za tridsať minút približne o 190 mV a potom zostáva pomerne stabilné.

Tepelná odolnosť

Napriek tomu, že je uvedená vysoká účinnosť 94 %, je logické, že pri maximálnom zaťažení sa vytvára na komponentoch a pod nimi pomerne veľa tepla:

• Schottkyho dióda D1
• MOSFET T2
• kondenzátor C6 na výstupnej strane meniča 
• cievka L1

Tieto komponenty sú na doske plošných spojov veľmi blízko seba, takže bude zaujímavé sledovať, ako sa modul tepelne správa pri maximálnom zaťažení 100 W pri výstupnom napätí 24 V. Preto sa modul zaťažoval pol hodiny prúdom 4,3 A a potom sa merala teplota v príslušných bodoch pomocou malého termočlánku. Výsledky sú zhrnuté na nasledujúcom obrázku.

Hoci podľa rôznych špecifikácií môžu mať moderné elektrolytické kondenzátory prevádzkovú teplotu 105 °C, nie som až tak spokojný s nameranými teplotami. Všetky komponenty na hornej strane dosky plošných spojov sa veľmi zahrievajú a je logické, že ak modul niekam nainštalujete, teploty sa ešte viac zvýšia. V tomto teste je problémom, že všetky komponenty sú tak blízko pri sebe a majú minimálne rozmery. Ak by sa použili elektrolytické kondenzátory s prevádzkovým napätím 50 V, tieto komponenty by mali oveľa väčšiu chladiacu plochu a menej by sa zahrievali. To isté samozrejme platí aj pre dva chladiče. Väčšia doska plošných spojov by bola oveľa vhodnejšia, aby boli horúce časti ďalej od seba, čo by tiež pomohlo znížiť teplotu celku.

Vstupná stabilita

Vstupná stabilita udáva stálosť výstupného napätia v závislosti od veľkosti vstupného napätia. Vzhľadom na to, že tento modul je určený na zvýšenie napätia 12 V batérie, je to dôležitá skutočnosť. Napätie na olovenej batérii sa môže pohybovať od 10,8 V do 13,8 V. V tomto rozsahu musí dobrý DC/DC menič udržiavať svoje výstupné napätie konštantné. Keďže použitý regulovateľný napájací zdroj nie je schopný poskytnúť dostatočný prúd pri záťaži 100 W, boli vykonané tieto merania s výstupným prúdom 2,0 A. Výsledky sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke.

Názor na QS-1224CBD

Ruku na srdce, ale napájať drahý notebook z olovenej batérie by som si s týmto modulom netrúfol. Hoci namerané teploty neprekračujú špecifikované limity komponentov, stále sa domnievam, že celý modul sa zahrieva príliš na to, aby bol z dlhodobého hľadiska bez použitia aktívneho chladenia spoľahlivý. Štandardne sa testuje pri izbovej teplote okolo 23,5 °C, no nezabúdajte, že teplota v aute môže v lete stúpnuť až na 80 °C a je zrejmé, že komponenty sa potom budú oveľa viac zahrievať. Veľmi veľké vysokofrekvenčné oscilácie výstupného napätia sú tiež dôvodom, prečo tento modul nepoužívať na napájanie citlivých a/alebo drahých obvodov. Ak však chcete na kempovacej párty napájať z 12 V olovenej batérie niekoľko 24 V LED pásov, môžete tento modul bez problémov použiť.