Не все зарядные устройства одинаково полезны

Приветствую, Хабр! Написать статью решил, так как совпало сразу несколько ключевых моментов. Во-первых, в прошлой статье разбирал/ремонтировал довольно хороший блок питания GaN 140W. Во-вторых, на маркетплейсе приобрел блок питания GaN 240W (мощность почти вдвое больше, цена в 15 раз ниже, ну вы понимаете). В-третьих, для одного из проектов было необходимо разработать модуль питания с Power Delivery. И тут завертелось.

Скажу сразу, что второй блок питания покупал больше ради праздного любопытства и непосредственно корпуса. Стоимость в 170 рублей для мощности 240Вт и пятью портами зарядки автоматически сообщает о подделке. Поэтому первым делом, после получения посылки, которая шла месяц, я подключаю блок к нагрузке и тестеру Power Delivery (PD).

GaN 240W

Конечно, никакой быстрой зарядки тут нет. При токе 2,13А напряжение упало с 5В до 4,78В. При увеличении нагрузки блок питания выключается. Получаем честные 10Вт. Я раньше думал, что китайские ватты — это обычные, деленные на 10, но как я ошибался.

Дальше заявка на возврат, одобрение, возврат денег и «оставьте покупку себе (она нам тоже не нужна)». Забегая вперед, скажу, что к этому времени у меня уже было разработано два модуля быстрой зарядки на микросхемах MPQ4242 (Monolithic Power Systems) и XPM52CDP65 (Fuman Microelectronics Group). Разбираем.

Тут все просто: импульсник на нераспознаваемом ШИМ-контроллере, что и следовало ожидать после теста на нагрузку. Самое интересное, что порты 3xTYPE-C (PD) и 2xUSB-A (QC) просто соединены вместе. Я думал, будет хоть какое-то распределение по каналам, но нет.

Модули PD

Как я уже писал выше, у меня разработаны два модуля PD. Начнем с микросхемы XPM52CDP65.

XPM52C

XPM52C — это ее общее название. Дальше идут модификации, кому интересно, можете глянуть даташит.

Схема проста до безобразия. Есть вариант многоканального подключения с автоматическим распределением нагрузки. Особенно подкупило то, что микросхема имеет встроенные транзисторные ключи, не нужно никаких внешних мостов, при этом заявленная мощность составляет 65Вт (при напряжении 21В и токе 3А). При питании от лабораторника держит 42Вт по 15В. Печатная плата ниже.

Я экспериментировал с емкостью выходных конденсаторов и применил 8х22мкФ + 100мкФ электролит. Пульсации при 5В на выходе составляют порядка 30мВ, при 15В — до 90мВ, что достаточно хорошо, но далеко не идеально (питание от лабораторника). Максимальную нагрузку в 42Вт проверял на 15В. Сама микросхема практически не нагревается, а вот катушка греется ощутимо при токе 2–3А.

Немного поигрался с номиналом и сопротивлением катушки индуктивности, но изменений практически не увидел. Решил поставить пару радиаторов и посмотреть, как будет себя вести питатель на длительном тесте (об этом чуть ниже). В итоге: хотите недорогое решение (1,5$ за микросхему), но требующее охлаждение на большой (это, конечно, громко сказано) мощности — это оно.  

MPQ4242

Дальше MPQ4242. Это уже не просто Buck-конвертер (как XPM52C), а полноценный Buck-Boost (также есть Buck MPQ4241, который еще не тестил). Диапазон входных питаний 4,8–36В, ток до 5А. При использовании на нагрузку до 45Вт также не требуется внешний транзистор.

Микросхема имеет гибкую настройку по I2C. Позволяет читать регистры температуры, тока, тип протокола, задавать температуру отсечки и гистерезис, устанавливать частоту, типы PDO и многое другое. Схема подключения тоже довольно простая. При трассировке нужно учесть, что у нас есть токоизмерительный резистор и необходимо правильно развести полигоны земли. Датчик температуры рекомендуется ставить рядом с разъемом Type-C (он может нагреваться). Имеется возможность использовать два датчика, тогда второй можно расположить рядом с микросхемой и индуктивностью. Печатная плата EVQ4242B-VE-00A выполнена на четырех слоях, но для теста я обошелся двумя.

С начальными установками MPQ4242 не умеет выдавать напряжение 12В.

Как итог, если нужно гибкое решение, с контролем температуры и возможностью выбора/ограничения протокола — это то что нужно, но цена уже порядка 10$ (тут я указываю цену на микросхему в России в розницу на август 2026).

В обоих решениях линии USB (D+/D-) можно задействовать для своих целей, не подключая к микросхеме PD. Мне было важно проверить этот момент на макетной плате.

Снижаем цены на выделенные серверы в реальном времени

Успейте арендовать со скидкой до 35%, пока лот не ушел другому.

Подробнее →

Сборка

Возвращаемся к нашим баранам модулям. Для реализации своей задумки мне понадобился отдельный блок питания 220–24В. В нужных мне габаритах смог найти только на 1А. Маркировка ШИМ-контроллера LY2016, даташит найти не смог, хотя может просто плохо искал.  

Конечно, 24Вт — это не тот идеал, к которому нужно стремиться, но габариты корпуса блока питания большего не позволяют. Да и это в любом случае лучше, чем было. Моя печатка на XPM52C отлично уместилась в корпусе, поэтому пока буду использовать именно ее (возможно, позже сделаю новый вариант на MPQ4242, тогда можно использовать блок питания 12В, а на выходе PD получить весь диапазон). Для проверки собираем все и смотрим, что получилось.

Прогнал все напряжения (5, 9, 12, 15, 20), вроде норм. Позже буду тестировать на закрытом корпусе, иначе будет недостоверный результат. Я имею в виду именно нагрев и стабильность. Также нужно посмотреть пульсации на выходе в различных режимах.

Лишние вырезы на корпусе залил эпоксидной смолой. Для лучшей вентиляции лучше бы было поставить сетку, но мне кажется, сильно это не поможет.

Пульсации и перегрев

При подключении покупного блока питания увидел две проблемы: нагрев ШИМ-контроллера (и трансформатора) и большие пульсации на выходе Power Delivery (около 600мВ на 15В). Работа, конечно, почти на пределе — 22Вт, но все же. Заменил Y-конденсатор и пульсации сразу упали до 300мВ. Установка синфазного дросселя на вход AC/DC позволила вернуть 90мВ пульсаций, как в случае с лабораторником. При выходном напряжении 9В порядка 85мВ. Нагрев ШИМ-контроллера и трансформатора значительно уменьшился. К слову, оригинальный GaN 140W имеет пульсации всего 30мВ.

Нужно как-то еще уменьшить уровень пульсаций. Еще раз свежим взглядом посмотрел свою трассировку, но ничего критичного не увидел. Решил купить готовый модуль на XPM52C. Странное дело, тут используется индуктивность 22мкГн. Я точно пробовал уменьшать и увеличивать номинал и становилось в разы хуже.

Измеряю и вижу пульсации 500мВ на 9В (питание от лабораторника). Это уже ни в какие ворота. Откладываю до лучших времен.

Кардинально изменила ситуацию установка конденсатора 56мкФ (я долго игрался с емкостью и типами), который очень похож на тантал (ESR 0.2R), хотя может и электролит Low ESR. Не нашел у себя полимерного конденсатора на напряжение от 30В. Пульсации снизились до 35мВ на 9В (нагрузка около 1,8А). Двухчасовой тест без корпуса показал нагрев радиаторов примерно до 50 градусов. На всякий случай на вход поставил TVS. Думаю, на этом можно останавливаться.

Установил платы в корпус, зафиксировал эпоксидной смолой. Лишнее место забил какой-то зябой, которая была в корпусе изначально. Надеюсь, что она предполагалась для лучшего теплоотвода.

Непрерывный двухчасовой тест показал, что устройство работает нормально. Корпус нагрелся примерно до 40 градусов, не больше. Пульсации при этом не выросли. Гоняю на разных напряжениях.

Идея написания статьи была не в том, чтобы из плохого зарядного устройства сделать посредственное, а в том, чтобы показать два готовых решения для реализации Power Delivery. Давно уже думаю по поводу мощного хаба USB3.0 на разъемах Type-C и с нормальным питанием, чтобы можно было как зарядку использовать.

Спасибо за внимание и успехов!

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку