Импульсный блок питания с использованием микросхем Fairchild Power Switch серии FSFR и FSFA. Разные чипы – универсальная плата

Толчком к продолжению экспериментов с интегральными сборками под общим названием Fairchild Power Switch послужило удачное использование сборки FSFA2100 в малогабаритном БП реального устройства. Изначально планировалось начать именно с резонансных сборок, но ряд факторов внесли свои коррективы в мои планы.
Об этом чуть позже, а пока, с вашего позволения, начнем. Когда я впервые собрал резонансный блок питания на микросхеме FAN7621, я и не ожидал такого интересного сюрприза далее. Как оказалось, компания Fairchild Semiconductor довольно давно и успешно выпускает целую линейку гибридных сборок под общим названием Fairchild Power Switch. Серия большая, и большую её часть составляют разного типа Flyback/Forward однотактные топологии.
Меня же интересует полумост.

↑ Полумост от Fairchild Semiconductor

Для меня это привычная топология, проще изготовление трансформатора, просто реализуется двухполярный выпрямитель. До этого я ковырял останки компьютерных БП, пробовал разные варианты соединения ШИМ контроллера, драйвера верхнего плеча, разных полевиков и так далее. Вот такой паровозик. Кто занимается БП, то знает, сколько проблем и сложностей иногда возникает с подобной связкой. Одна только разводка ПП, грамотная разводка, не так проста, как кажется. Наладка, подбор компонентов, питание самих контроллеров.

Так вот, компания Fairchild Semiconductor собрала весь этот "паровозик" в одну сборку.
Теперь контроллер (ШИМ или резонансный), драйвер и силовые полевики, объединены в одном корпусе. Добавлено несколько защит, и мы получаем готовый блок питания.

В линейку входят: FSFR1600 – FSFR2100, за исключением FSFR с номером 1900, а также индексы: HS, XS, US.
Мощность от 160 до 450W – для 99.99% домашних задач – выше крыши!
Цифровой индекс связан с мощностью, точнее с таким параметром встроенных полевиков, как RDSon.
Буквенный – в основном отличия по логике работы защит и обвязке.
FSFA2100 – одна в линейке, на мощность 450Вт.
Кому нужно озвучить квартал или погреться, можно предложить FAN7621 с мощными, но "лёгкими" полевиками, благо они сейчас стали доступнее.

Ну а я решил попробовать FSFR2100.
Точнее заказал именно этот тип. Этот, потому что про другие на тот момент и не знал. Заказал у китайцев. В двух разных местах. Пока они ехали, я решал, куда встроить новый БП? Ну и решил заменить ШИМ на LLC.

В одном из моих усилителей. На самом деле, в усилитель пошёл другой БП, не из этого раздела, но по ходу повествования эта часть является частью исследования.

↑ Отвлечёмся

Жил себе ШИМ БП на UC3825+IR2110. Нестабилизированный. В принципе усилителю мощности стабилизация такого вида, как используется в ШИМ БП, не нужна по ряду причин, описывать почему — тема другого раздела.
От ШИМ нужен только софт старт, способный без спецэффектов зарядить ёмкости по 20000 в плечо в каждом канале.
Всего-то 80000 мкф на один БП. Этот фокус не удавался у IR2153, как и куда я её только не целовал. Никак. Или защита или спецэффект.

Этот же товарищ даже и не замечал этого, стартовал себе как обычно. Только у него в процессе эксплуатации вылезла одна лёгкая, но неприятная проблемка. Впоследствии эта проблемка, или недоработка, и послужила причиной перехода на LLC в этом усилителе.


Если посмотреть на плату, то на ней два радиатора. Это силовые ключи. Слева нижнее плечо, справа – верхнее.
Верхнее плечо находится на небольшом расстоянии от силового трансформатора.

Частота работы БП была мной выбрана около 80кГц. Чтоб уже наверняка уйти подальше от звукового диапазона. Но в данной схеме, как и в моих БП на TL494, при повышении рабочей частоты, начинает сильно нагреваться сердечник трансформатора. Я этому фактору не уделял должного внимания. Ну, греется, но руку держать можно. До температуры, при которой начнут меняться свойства феррита ещё далеко.

И вот тёплый летний день. Работает этот усилитель, играет что-то фоном через него, меньше ватта, просто чтоб слышно. Я что-то читаю. Вдруг щелчок и усилитель погас. Отключив его от сети, положил руку на верхнюю крышку – тёплая именно со стороны БП.

Пока не остыл, открываю. Вроде все цело, предохранитель целый. Нет только крышки на драйвере IR2110. Причём со стороны верхнего плеча. Даже часть букв видно.
Радиатор верхнего полевика очень горячий, нижнего – комнатный. Транс тоже сильно горячий...
Странно, что такая не симметрия по температуре.

Звоню полевики – живые оба. Меняю IR2110- все работает! Но почему оно стрельнуло?
Предположение было только одно. Транс греет полевик. У полевика меняются какие-то параметры, влияющие на входную ёмкость, драйвер не выдерживает перегрузки и вылетает.
Впоследствии понизил частоту, всё нормализовалось, но "осадочек остался".
И вот сделал новую плату под FSFR2100:

Намотал транс согласно мануалу.

Замерил, стянул. Включил. И...
Тишина. Ну, то есть совсем, даже не пикнула...

Обвесил все приборами, три раза перематывал транс. Никак!
И тогда я уже глубже полез в дебри. Для начала выяснил, что помимо FSFR2100, есть ещё целая линейка разных микрух. Поближе изучил принцип работы. Грешил на разводку ПП. Скачал Appnote по reference-дизайну. Перенёс почти один в один разводку около микросхемы. Так разводка корявая, но мало ли что?

Но почему-то в последнюю очередь думал на саму микросхему, на её исправность! Видимо быстро забылось то, как я нарвался на перемаркированные ADUM1400C, которые на проверку оказались с индексом А.

Так как усилитель был разобран, стоял без БП и занимал место на столе, я решил, и быстренько накидал «проверенный» БП на FAN7621, куда воткнул свой новый трансформатор и запустил его с полпинка. Технология то отработана. Аппарат в работу, а я продолжу.
На этом месте тема про усилитель заканчивается.

↑ Вяленые чипы недорого

Версия неправильного транса оказалась неверной, и уже на новой плате я стал менять микросхемы из присланной партии.
Из пяти штук не заработала ни одна!
В этом же заказе были и FSFA2100, одна их которых, по крайней мере, завелась сразу и без проблем – остальные даже и не проверял. Об FSFA2100 я писал в предыдущем обзоре.
Выше я упоминал, что заказал две партии по пять штук. Вторая партия подзадержалась в дороге и как раз к этому времени я её получил. Распаковав посылку, я увидел, что мне прислали FSFR2100XS. А она, как оказалось, немного отличается по цепи управления.
Немного. Поэтому переделать эту цепь на готовой плате не составило труда.


Тестовый БП изготовлен по схеме из даташита. Разводка силовой части почти точно повторяет референсный дизайн. Питание от отдельной дежурки на 15В — чтоб исключить разные недоразумения.

Втыкаю первую микросхему, включаю. Свист, треск, на выходе около 3В вместо расчётных 12В, управления нет.
Сильно разогревается микросхема и отключается. Ура! Защита работает! Тепловая!
Ну, хоть что-то работает!
Хотя, странно как-то оно себя ведёт...

Ещё три раза перемотав транс с разными числами витков, убеждаюсь, что проблема не в нем. Теперь, недолго думая, начинаю по очереди ставить все оставшиеся микросхемы в тестовый блок.
Не поверите! Заработала одна. Последняя! Если бы она не заработала — я бы, наверное, разуверился в своих силах.
И пуск и регулировка, все как надо.

Остальные разнокалиберно трещали и шипели трансом, грелись и уходили в защиту. Я забыл слить на флешку дивные виды с экрана осциллографа, поэтому попытаюсь воспроизвести по памяти:

Вот примерно так оно выглядело. Это форма сигнала на выходе – туда, где подключён трансформатор.
На рабочей, чистый прямоугольник. На бракованных – начинаются провалы на верхнем ключе. Причём меняются они от частоты и от нагрева корпуса микросхемы. Сквозной ток – не шутка. При этом транс шипит как траншейный удав, и нагревается корпус с радиатором за 3-5 секунд до состояния «ой, блин, горячо!», потом срабатывает термозащита.

Анализ проблемы показал, что все присланное - это FSFR. 2100 или другая, сложно сказать. Та, что работает, держит нагрузку хорошо. На радостях нагрузил её, как ишака, чуть не спалил Шоттки от перегрева — она холодная, как лягушка.
Защиты работают, частота регулируется. В общем, работает так же, как и БП на FAN7621.

В бракованных работает встроенный I\U на задающем генераторе, 2В есть на ноге управления, встроенные Body Diode звонятся нормально. Остальное не проверишь.
А так как на выходе стоят "Internal UniFET with Fast-Recovery Body Diode", то вполне вероятно, что они самые сложные в изготовлении. Соответственно процент брака все же есть.

То, что полевик или его драйвер внезапно сваливается, видно на рисунке. Он должен быть открыт до конца полупериода.
Брак... И этот брак вполне возможно купить у китайцев. Но почему обе партии оказались такие?

Я глянул в свои заказы и нашёл ответ: одного продавца зовут zhiyong huang, другого xueyi huang. И фото микросхем в их разных магазинах одинаковые – это меня и подкупило, что красиво снято. Я не знаю, существует на заводах программа утилизации брака, но скорее всего, эта отбраковка, под видом оригинала, продаётся нам. Так же продавать одну партию могут в разных магазинах. А может один хозяин иметь несколько магазинов – как на рыбалке.
Так что изобилие товара у китайцев ещё не гарантия, что они из разных источников.

↑ Расстроившись, я решил заказать оригинал...

Наивный юноша... Зашёл на сайт fairchildsemi.com.
- А не найдётся ли у вас семплов, бесплатных?
- Пожалуйста! – только вот кто ты такой? Надо зарегистрироваться!
- Да нет проблем, ради общего блага и мира во всём мире, я готов!
И мне предложили заполнить кучу форм, согласиться с обязательством не использовать на войне (я пока не понял как, но military упоминалось), не во зло, оставить контактные данные себя и своей фирмы. Вот это-то им зачем? Напишу, что я farmer, то меня больше на сайт не пустят? И ещё куча формальностей.
- Поздравляем! Теперь вы можете у нас заказать образцы. Идите, выбирайте продукт, жмите запросить образцы... Ну, дальше разберётесь – не маленькие чай, кучу документов то подписал сам, без помощи!

Трясущимися рукам, утирая скупые слезы умиления, выбираю FSFR2100, две штучки. Жму "далее". И что вы думаете?
Лицом я не вышел! Не там родился, не там работаю, и вообще идите в раздел покупок или к своему региональному дилеру. Не удивительно, я уже привык слушать подобное в свой адрес от TI, когда хотел семплы ЦАП у них заказать.
Но кому тогда они отправляют семплы бесплатно то?

Нам, второсортным, не привыкать — пойдём и купим. Тут тот же самый раздел, но только дорога чуть удлинилась – платить то кто будет? Выбираю то же самое... Цена в розницу конечно не китайская, а раза так в три больше... Ну ладно, нам же не на баловство какое, ага, вот тут надо карточку им показать.

Начинаю заполнять поля и понимаю, что то-то не так. Сползаю вниз страницы, где к розничным семнадцати долларам добавляется способ и стоимость отправки... и следом сам сползаю под стол. Жаль, что формат нашего журнала не позволяет в полной мере описать ту гамму и фейерверк чувств и ощущений, что я испытал в тот момент.
Shippng UPS First Class – 144 американских доллара! Не USPS, а UPS.

Не, ну конечно любой организации и фирме надо любить и лелеять свою продукцию как своё родное, но за два куска кремния, да First Class... Пешком их что ли курьер понесёт?

Быстренько поправив покривившийся шаблон, пошёл искать моих региональных дилеров...
Ба! Знакомые все лица! Mouser и digikey... издрассте! У них хорошо покупать, когда надо большую партию. В розницу – это на любителя. Мой товарищ заказывал у них электролиты ELNA — штук 20. Доставка ровно в три раза дороже кондёров. Мне проще тогда откатиться к FAN7621 – они, по крайней мере, все не капризничали.


К моему удивлению, в том месте, где я заказывал FAN7621 в наличии оказались несколько видов FSFR2100. По абсолютно разным, порой демпинговым ценам. Получить ответ на вопрос "WTF?" от продавца я не смог – это то же самое, что интересоваться у бабки на вокзале, с какого поля и какого числа собрали семечки, которыми она торгует в розницу. Будем надеяться, что раз FAN7621 рабочие, то и эти должны быть тоже живыми. Заказал.

↑ Универсальная печатная плата для серий FSFR и FSFA

Ну а пока отвлекусь на более интересное – разработку. Пока я возился с микрухами и перепиливал платы, заметил одну очевидную закономерность. Все версии FSFR и даже FSFA совместимы pin-to-pin. Разница лишь в обвязке ног управления. И то не принципиальная.

То есть, не меняя всю разводку платы, можно менять только перемычки, по типу применяемой микросхемы.
И сделать плату так, чтобы можно было использовать перемычки методом наплавления.

Так как усилители, для которых нужен новый БП, кончились, то я решил провести замену БП в своих ЦАП.
Надо:
1. Питание цифровой части — 9-10 В около 0,5 А. Туда же и регулировку.
2. Двухполярное аналоговое — 2*17-19 В ток не менее 200 мА.

Но ток нам не сильно важен — всё равно БП отдаст больше, не напрягаясь. Универсальный вариант схемы под подобную переделку будет выглядеть так:

Что я буду использовать отдельный маленький БП для питания, я уже решил однозначно – это проще и стабильнее в работе. Результаты макетирования это подтвердили.
Разным цветом обозначены номиналы элементов под разный тип микросхемы.

Кстати, индекс XS обладает интересным свойством. У неё защиты не триггерные. То есть после снятия аварийного режима он перезапустится через вывод Ar (есть встроенный ключ), а не будет ждать снятия питания, как остальные.
Проверил – "цык-цык-цык" есть при КЗ на выходе и при превышении предела регулировки напряжения.

Пока ожидал приезда недостающих компонентов, я подумал — почему бы не попробовать сделать два БП на разных по топологии микросхемах, то есть LLC Resonant и Assymmetric PWM и сравнить их в работе в одинаковых условиях.
Чтоб не ковырять старые БП на предмет дежурного питания, решил заказать готовые AC/DC модули.

Тут пришлось потрудиться, так как поиском находилось куча зарядок для мобилок, лаптопов, планшетов и прочего барахла, но не того, что нужно мне. Но я нашёл и заказал:

Готовый БП на 12В 400 мА. Размер платы 40*15 мм. На какой-то сугубо китайской микросхеме. Явно клон какого-то старенького ШИМ. Но работает. Собран неплохо. Пришлось, правда, сделать лёгкий тюнинг. В схеме слежения за выходным напряжением стоит резистор 9,1 К для 12 В. Посчитал, что для 15 В мне надо 12 К, перерыл весь свой хлам. Не нашёл нигде СМД резисторов на 12 К: попадались или 10К или 15К.

Заколхозил выводной резистор. Колхоз виден на фото слева вверху. Больше всего переживал за цвет диода на модуле — боялся синего (ну не люблю я LED синего цвета). Нормально, поставили красный!
На место этого БП можно установить любой другой, хоть вертикально, незначительно «допилив» плату под себя.

Ну а собранное выглядит неплохо. Почти одинаково.

Разница только в элементах обвеса цепи управления, и дросселях после выпрямителей.
Сверху резонансник, снизу ШИМ.

Для резонансника дроссели вообще не нужны, но чтоб не паять на их место перемычки, поставил малой индуктивности от старого БП. Около 6-8 мкГн. На работу не повлияли.
Для ШИМ — 47 мкГн по всем линиям — они тут обязательны.

Осталось намотать трансформаторы и впаять микросхемы. В качестве трансформатора запланирован горизонтальный трансформатор под названием ER2834. Размер сердечника 28*34*11,5 мм. Диаметр керна — 10 мм.

Не смог найти катушек под LLC, поэтому секционировал сам. Текстолит или пластик. И то и то без особых проблем приклеилось. Место установки перегородки на глаз.
Осталось намотать:


Заказал таки я разный литц. Ну сколько можно на коленке то его изготавливать? С которого начать? Пусть будет ШИМ.
Первичка - 45 витков провода 0,07х28 в шёлке.

Поместилось два слоя. С боков наклеен толстый двухсторонний скотч, что внезапно и по делу попался под руку.

Затем слой лакоткани и бифилярно две вторички.
Аналог (2*18 В)— 2*6 витков провода 0,07х80.
Цифра (9 В) — 2*3 витка того же провода.

Затем надо выставить зазор для получения требуемой индуктивности в 600мкГн на первичной обмотке:


Ну а после можно стягивать каркас и приступать к следующему — LLC.
Первичка — 36 витков провода 0,07х28. Получилось два слоя.

Можно было перегородку поставить посередине. Ладно, пойдёт и так.
Вторички:
Аналог (2*18 В) — 2*3 витка бифилярно проводом 0,07х80.
Цифра (9 В) — 2*1,5 витка. Так как для LLC нужно рассчитывать примерно 6 В на 1 виток, то приходится извращаться.

И снова выставляю зазор для нужной индуктивности.

Все, с трансами закончил. Теперь можно их запаивать и готовиться к запуску.

Пока все красиво — сейчас включим — может половину перепахать придётся.

↑ Несколько рекомендаций по запуску

В принципе, как любили говорить в известном журнале - «при правильном монтаже и исправных деталях устройство начинает работать сразу». Естественно, ведь все подготовительные мероприятия были сделаны до пуска!

У обеих микросхем очень чувствительный набор защит, что лично мне нравится. Но этот набор может послужить злую шутку при первом старте. Например, если требуется зарядить несколько больших ёмкостей. Токовая защита сработает до того, как пройдёт несколько первых тактов. С виду это будет выглядеть как просто тишина — не запустилось.
Поэтому желателен осцилл с медленной развёрткой — там это видно.
Потом анализировать, что не так, и вносить коррективы, например, уменьшить резистор токовой. Увлекаться не стоит, мало ли что, и реально оно уже не отработает.

Ещё желательно ставить ёмкость в цепь софт-старта несколько больше, чем нарисовано в даташите. Я ставлю 10-22 мкф. Больше уже особой роли не играет.

Также проверять питание самой микросхемы — нижний и верхний предел. Например, при 14,2 В оно не запустится, а 14,5 уже нормально — лучше иметь запас. Верхний — 22,5-23 В. Превысил — и не понятно, а чего оно замолчало то?

Число витков для ШИМ рассчитывается примерно как для обычного БП на 494-й. То есть соотношение жёсткое. И не забываем про насыщение.

В резонансном можно более вольно обходиться с числом витков трансформатора. Но тут важно попасть в нужную индуктивность, чтоб получился резонансный контур — он вытянет недостающее. И даже небольшой избыток первички нам даже на руку — получим нужное напряжение при более высокой частоте.
В остальном проблем нет.

↑ Осциллограммы

Форма сигналов для FSFA2100:

Синее — выход FSFR после конденсатора, жёлтое — резистор токовой защиты. Выбросы на этом резисторе — плавающие, и похоже, есть наводка на щупы.

Это выбросы на выходе БП без нагрузки. Но это не показатель — от положения щупов и места подключения земли они меняют размах.

А вот формы для FSFR:

Красота! Я такое не часто видел.
Синее — выход FSFR после конденсатора (до него — прямоугольник). Жёлтое — резистор токовой.

А вот что на выходе:

Тут все более красивое и уже как не крути щупы — картина не меняется.

↑ ШИМ vs Резонансник

Зато в работе они абсолютно разные. Если у ШИМ крутить выходное напряжение вверх, то в определённый момент БП валится в защиту от перенапряжения по выходу — такая там логика защиты.
У резонансника — напряжение плавно растёт, а затем упирается в предел, определённый резистором Rmin (см даташит) и дальше от положения потенциометра не зависит.

Сам контроллер ШИМ нагревается даже без нагрузки, примерно до 30-40 градусов. Трансформатор холодный.
Зато резонансник холодный сам, а трансформатор ощутимо нагревается. Причём греется не обмотка а феррит.
Поэтому, возможно, в некоторых случаях потребуется наматывать больше витков первички с пересчётом вторичных обмоток, чтоб трансу было легче.

Займусь этим в следующем БП — этот уже пропитал и ломать не хочется.

Трансы пропитал лаком НЦ. Иногда от сердечника бывают некие призвуки. Особенно в момент включения.
На фото выше - сладкая парочка на прогоне. Пришлось нагрузить только ту обмотку, что участвует в регулировании, на остальные не нашлось лампочек.

Так как реальная нагрузка не большая, и почти постоянная, то результат прогона хорош — ничего не дымит и не нагревается. Радиатор тут исключительно для моего спокойствия — обе микросхемы способны работать без радиаторов до 150 Вт нагрузки, тем более в наличии термозащита — но в корпусе условия могут быть хуже, обдува нет, а радиатор — гарантия, что сутками напролёт оно может гарантировано работать. И отработало на тесте.

Так же были изготовлены варианты под уменьшенный размер радиатора и платы.
Основные отличия — один конденсатор после моста (ну нет у меня кондёров на 400В малого размера), и уменьшенная в габаритах плата. Остальное без изменений.

Вообще в архиве находится файл с несколькими вариантами плат, все рабочие, все собирались и тестировались. Так что выбрать есть из чего.

↑ Итого

Все! Можно пробовать заменить «старый» БП на TL494 на новый. Без изменения конструкции.

Результат на картинке. Начал с этого, планирую постепенно перевести всех остальных.

Сильно улучшился тепловой режим всего устройства. Ну, и как мне кажется, шумовая составляющая тоже.
На радиатор пришлось наклеить кусочек текстолита — высота радиатора на 5мм больше предыдущих. А так как радиатор сидит на земле «горячей» части БП, то его случайное замыкание на крышку корпуса чревато серьёзными последствиями, как для всего устройства, так и для его пользователя.

Ну и затем с лёгким сожалением можно отправлять старушку TL494 на заслуженный отдых. Что поделать? Прогресс не стоит на месте!

Может кого-то и отпугнёт от повторения большое количество заказных компонентов, но я реально устал ковырять комповые БП и шастать по местным рынкам и магазинам в безуспешных поисках нужного.
Когда сейчас можно заказать именно нужное, а не колхозить из того, что есть — поверьте, результат стоит этого!

На этом всё.

↑ Файлы

Платы и схемы здесь:
🎁2100.zip  169.07 Kb ⇣ 294

↑ Несколько тёплых слов о китайцах

Список «отличившихся»:
//www.aliexpress.com/store/517845 — получил 5 дохлых FSFR2100, но рабочие FSFA2100.
//www.aliexpress.com/store/819672 — отсюда заказал тоже 5, а заработала одна.

P.S. Уже после того, как все запустил, я решил визуально сравнить мёртвых и живых. И заметил интересную вещь: на нескольких микросхемах есть следы от винтов! То есть они были уже куда-то прикручены! Хотя ноги хорошо отреставрированы, и не скажешь, что их паяли.

Тогда у меня возникло сразу масса вопросов.
1. Где они могли стоять, если информации об их применении в бытовой технике совсем нет?
2. Почему и как они вышли из строя в таких масштабах и что за служба и зачем этим занимается?
3. Как умелые китайцы могут так красиво восстанавливать выводы микросхем после пайки и демонтажа, что не придерёшься?
На корпусах нет следов термопасты, все хорошо отмыто.

Вот так! Будьте внимательны.
С уважением, Алексей

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации