SEPIC con XL6009

Analisi di un modulo SEPIC di produzione cinese.

SEPIC: step up e step down assieme...

SEPIC è l'acronimo di "single ended primary inductor converter". Si tratta di un convertitore DC-DC che consente di avere alla sua uscita una tensione maggiore, uguale o minore di quella in ingresso.

Viene derivato essenzialmente dallo schema base di un boost:

Viene aggiunta una seconda bobina, accoppiata capacitivamente; la tensione di uscita è controllata dal duty cycle del transistor switch.
Senza fare una lezione sul funzionamento dei converter SEPIC, possiamo dire che, fondamentalmente, questa configurazione ha il vantaggio di avere l'uscita con la stessa polarità della tensione di ingresso e di poter fornire una tensione di uscita maggiore o minore di quella di ingresso. 
Inoltre, se nel buck converter disabilitando lo switch si ha sull'uscita la tensione di ingresso, nel SEPIC, quando l'interruttore è spento, l'uscita è 0 volt (a causa dell'isolamento in corrente continua fornito dal condensatore in serie).

Lo schema SEPIC è utile dove si debba ricavare una tensione costante da una sorgente il cui valore può variare sia sopra che sotto quello della tensione di uscita. Un esempio può essere quello di una alimentazione che richieda 12V precisi derivata da una batteria al piombo che varia da 14.2V a piena carica a 11.8V o meno in scarica.
Oppure per ottenere 3.3V da una batteria al Litio che passa da 4.2V a 3V.

Se non si deve realizzare un prodotto specifico, da un punto di vista economico una realizzazione ad hoc non è particolarmente conveniente. Meglio verificare prima cosa offre il mercato, partendo dai moduletti cinesi.

Ed i cinesi non solo producono moduli, ma producono anche semiconduttori. E' il caso dell'integrato XL6009 di XlSemi, Sunrom, Kylinchip ed altri.

Si tratta di un pilota per DC-DC simile a LM2577, adatto a lavorare come boost, come buick, SEPIC e inverter a 400kHz. Il costruttore dichiara una tensione di ingresso tra 5 e 32V con lo switch integrato che può gestire fino a 4A. Il package è un TO263 a 5 pin, adatto al montaggio superficiale, ma con una aletta per lo scambio termico.

Le dimensioni discrete del package fanno supporre che sia possibile trattare una certa potenza, mentre il range di ingresso consente di usarlo in varie situazioni.

L'application come boost è tipica per questo genere di integrati e  prevede l'aggiunta esterna della bobina e del diodo, oltre ai condensatori, mentre switch è integrato. Il pin EN disabilita il chip se collegato a massa. I valori nello schema sono per un ingresso tra 12 e 16V con una uscita a 18.5V - 2.5A.

La tensione di uscita è regolata dalla formula: Vout = 1.25 * (1+ R2/R1) ovvero la tensione di riferimento interna è 1.25V.

Questo integrato esiste come base di un modulo SEPIC abbastanza facile da trovare e di costo molto contenuto (meno di 3$ per un pezzo singolo), in genere identificato come DSN6000AUD.

I costruttori dichiarano le  specifiche, che, mediamente, ricalcano i dati seguenti:

Input Range    : 3.8V~32V
Output Range  : 1.25V~35V
Output Current: Max. 3A; No-load 18mA

anche se è possibile trovare diverse informazioni (ad esempio su eBay):

Input voltage         :4.2-32V
Output voltage      :5-52V
Maximum input current:4A
Transfer efficiency:94%
Output ripple         :50mV
Operating temperature:-40C~+85C

Evidenziamo in rosso i dati fasulli, che saranno confutati dai test.

Lo schema elettrico ovviamente non è disponibile, come non lo è alcuna documentazione del modulo, ma questo è un aspetto noto dei prodotti cinesi: a fronte di un costo irrisorio c'è l'assoluta mancanza di qualsiasi informazione tecnica, sia pure minima.
Comunque lo schema è il seguente:

Questa è la disposizione dei componenti:

Avendo una ampia esperienza di prodotti cinesi low cost, la prima cosa da fare è dare una occhiata generale al modulo.
Il modulo è, come solito, molto compatto ( 27,7x47,7 mm, con uno spessore di 13,8mm), il che lascia poco spazio per aree di raffreddamento dei componenti SMD.
Un punto discutibile è costituito dai fori di collegamento degli ingressi e uscite, nei quali è possibile inserire al massimo un  in cavetto da 1mm di diametro, non molto se devono passare 3A. Anche le piazzole relative sono piuttosto piccole; sono più adatte per inserire dei pin a spillo per fissare il modulo su un altro PCB o su una breadboard.

Da un primo sguardo si può notare che le bobine L1-L3 sono massicce e probabilmente ben dimensionate; sono del tipo schermato, che, vista la vicinanza, è indispensabile per evitare mutua induzione.
Per i condensatori SMD non è immediata una valutazione a vista, dato che non dispongono di sigla che ne permetta la chiara identificazione; le dimensioni, però, non sono minime e fanno pensare almeno ad elementi da 15-22uF a 35V; per valutarli correttamente occorrerà una misura. Peraltro, il C2 è abbastanza un elemento chiave, dato che da esso deve passare la corrente in uscita.
Anche il condensatore in uscita C6 è SMD e si dovrebbe supporre che il rumore in uscita sia limitato, vista anche la presenza di C5 e dell'induttanza in serie L2: il SEPIC è un circuito piuttosto rumoroso e un filtro in uscita è una buona soluzione.

La componente resistiva degli induttori e dei condensatori (ESR) influenzano l'efficienza e la quantità di ripple sulla tensione d'uscita. Impiegando bobine con bassa resistenza, si riduce l'energia dissipata in calore e si migliora l'efficienza, mentre l'impiego di condensatori con bassa resistenza serie, definiti solitamente low ESR, è indispensabile per ridurre al minimo il ripple e la generazione di calore in C2, dove passa la corrente in uscita.
Per contro, mentre C1 è identificato come 100uF/50V, C5 è identificato in chiaro solo come 220uF.
Si può pensare che C1 con 50V sia anche abbondante come condensatore di ingresso, dato che la massima tensione applicabile è 32V, ma C5 deve essere da  almeno 50V, se si vuole ottenere 50V in uscita. Questo non pare possibile perchè un 220uF/50V ha, per tutti i costruttori, diametro 10mm, mentre quello installato è da 8mm, il che lo classifica al meglio come un 35V; di conseguenza, la tensione in uscita non potrà superare i 35V. L'indicazione 52V che appare in alcune inserzioni è particolarmente "allegra" fornite dai cinesi. 

A questo proposito, vediamo altri particolari rilevabili prima di fare prove di funzionamento:

• un primo punto è il range della tensione di ingresso: 3.8-32V mentre il costruttore del chip dichiara ripetutamente 5-32V. Questo vuol dire, ad esempio, che il modulo non è adatto per lavorare con un elemento al Litio.
   
• un secondo problema è il D2: si tratta di un SS34 che ha come maximum rating 3A. Se si presume di estrarre 3A dal circuito, il diodo è sotto dimensionato e questa corrente tenderà a sovra riscaldare il diodo.
  Ne è conferma l'application  dove D2, per una uscita di 2.5A è un 1N5824, da 5A  ed è in packge diverso, in grado di smaltire meglio il calore.
  Le caratteristiche del diodo sono fondamentali per l'affidabilità e l'efficienza del SEPIC: D2 deve essere quanto più veloce possibile per non generare spikes ai capi degli induttori, cosa che può degenerare in guasti sia al modulo che al carico.
   
• Particolarmente "allegre", poi, sono quelle informazioni "tecniche" dove si dichiarano 4A in uscita: 4A c'è nel foglio dati, ma è la massima corrente dello switch integrato, cosa ben diversa dalla massima corrente ottenibile in uscita.
   
• Bizzarra è anche l'applicazione di un altro SS34 (D1) come protezione dall'inversione di polarità di alimentazione del modulo. SIcuramente mette in cortocircuito la fonte di alimentazione se applicata al contrario al modulo, ma richiede la presenza di un fusibile esterno per avere senso pratico.
   
• un terzo punto è l'area di raffreddamento di IC1, che, date le piccole dimensioni del modulo, non è certamente ampia.

Si nota che tutta la faccia opposta ai componenti è un piano di massa e sono presenti molte forature per collegare questo piano, che funge anche da dissipatore, al corpo dei componenti saldati sul lato opposto. Per l'integrato  i vias sono particolarmente fitti (35 fori), ma esso ha l'aletta metallica collegata al pin SW e quindi la sua area di dissipazione deve essere separata dalla massa (rettangolo evidenziato in rosso) riducendone la superficie, che, peraltro, è ricoperta dal solder resist blu, che è comunque un conduttore termico non eccezionale.

In effetti, alcuni rari inserzionisti offrono un dissipatore da fissare sul chip con un bi adesivo termo conduttivo.

Vediamo nelle prove come si comporta il modulo.

I test.

Trattandosi di un alimentatore switch mode è indispensabile affiancare un oscilloscopio al carico elettronico.

Non pare previsto un funzionamento a vuoto, dato che i dati forniti parlano, anche se non chiaramente, di un 18mA minimo. In ogni caso, provando qualsiasi circuito switch mode, un carico minimo va sempre inserito per evitare instabilità: nelle prove abbiamo collegato un LED con un assorbimento di 30mA a 18V.

Gli oscillogrammi:

Vin 12V  Vout 15V  100mA rumore <50mV	Vin 15V  Vout 12V   carico 2A  rumore <200mV

Con una corrente elevata il ripple è abbastanza alto, ma accettabile.

La tensione di uscita si regola con una buona precisione tra 1.25 e ben oltre 35V con il trimmer mutigiri, ma va da se che oltre la tensione di lavoro dei condensatori (35V) non ha senso andare.

I risultati di alcune prove:

E' stat fatta una misura anche oltre la tensione dei condensatori, a 45V che, per pochi secondi, non ha creato alcun danno; però in queste condizioni di elevata differenza tra Vin e Vout il rendimento cala sensibilmente.

Per quanto riguarda la stabilità della tensione impostata, si mantiene entro il -2% al carico massimo provato. 

Purtroppo l'integrato riscalda significativamente a seconda della corrente in ingresso:

Le temperature sono misurate sul package dopo pochi secondi dall'applicazione del carico.

Inoltre, per correnti in uscita oltre gli 1.5A anche il diodo D2 riscalda sensibilmente: SS34 è indicato per un absolute maximum rating di 3A e, dato che è un piccolo DO214 e non dispone di una specifica area di raffreddamento sullo stampato, la possibilità di arrivare alla fusione del silicio sono tante.

Con questo, non c'è senso nel fare ulteriori prove: 

• 3A in uscita NON sono raggiungibili in alcun caso a causa del riscaldamento di D2 e 

• 3A in ingresso non sono raggiungibili a causa del riscaldamento dell'integrato.

Se non si provvede ad aggiungere un dissipatore all'integrato e a sostituire il D2 con uno differente, il limite massimo di impiego sicuro è attorno all'ampere.

E' possibile fissare un dissipatore sull'integrato con un adesivo termoconduttivo, ma lo spazio ridotto non permette profili se non molto limitati, a meno di uscire fortemente dalla sagoma del modulo. Il package TO263 è progettato per dissipare il calore sulla superficie dello stampato ed un  radiatore aggiuntivo è una forzatura.
Peraltro, aggiungere un sistema di raffreddamento al diodo D2 è impensabile.

In questa fase è già possibile trarre conclusioni intermedie: 

• la tensione di uscita è sufficientemente stabile ed è ben regolabile con il trimmer multigiri, fino a che il modulo funziona in una area di sicurezza sia elettrica che termica.
   
• il convertitore si è sempre mostrato stabile con qualsiasi combinazione di tensione di uscita e di ingresso entro i 5-32V
   
• produce un rumore elettrico accettabile, sopratutto a basso carico.

Aspetti negativi:

• come ci si poteva aspettare, i 3A in uscita non sono praticamente ottenibili. In particolare, il modulo funziona bene per correnti di inferiori a 1.4A: oltre, il riscaldamento dei semiconduttori è inaccettabile.
  In particolare, se si può aggiungere un dissipatore all'integrato, è difficile farlo con D2, che ha proprio 3A di massima corrente possibile. L'area di funzionamento sicuro si trova entro 1000mA di corrente in ingresso o in uscita. 
   
• il convertitore è fortemente instabile al di sotto dei 3.8-4V di ingresso. In queste condizioni basta poco a portare l'integrato fuori controllo e ad ottenere tensioni di uscita casuali, fortemente disturbate e anche molto superiori a quando fissato col trimmer, col rischio di distruggere il carico. Dunque, come specifica il costruttore del chip, la tensione minima per un funzionamento sicuro dovrà essere 5V e non di meno.
   
• col riscaldamento la tensione impostata con il trimmer tende a diminuire.
   
• tensioni di uscita oltre i 35V NON sono possibili: ruotando il trimmer si arriva anche a 52V, ma i condensatori sono da 35V e il D2 da 40V...

Modifche?

L'idea di modificare il modulo per migliorarlo può essere attraente, ma si scontra con la difficoltà di operare su un circuito SMD così compatto. Inoltre, ne vale la pena? Può essere più conveniente acquistarne uno diverso?
Vediamo, comunque, alcune possibilità ragionevoli.

Per curiosità sono stati smontati C2 e C6: sono risultati da 16/17uF con una ESR un po' alta. Per prova sono stati sostituiti con dei 18uF/35V Kemet, mentre C5 è stato sostituito con un Panasonic.
I risultati non sono eccezionali: c'è stato certamente un leggero miglioramento del rendimento ed una minima riduzione del rumore, ma non tali da consigliare la modifica. 

Invece, applicare un dissipatore all'integrato è possibile: nella foto vediamo un modulo con un piccolo dissipatore per SMD fissato con adesivo termo conduttivo (epossidica bi componente Arctic Silver), che non esce dalla sagoma laterale del modulo.
Inoltre è stato tolto lo strato di vernice blu sull'area di dissipazione dell'integrato per aumentare lo scambio termico con l'atmosfera. Per proteggere il rame dall'ossidazione la superficie è stata stagnata (compound per saldature SMD e pistola termica, operazione che si consiglia solo a chi ha mano in questo genere di lavori, onde evitare il distacco dei componenti sull'altro lato).

Si ottiene un miglioramento della corrente massima trattabile, cosa che può essere utile.

Con a 2A di corrente in ingresso la temperatura dell'aletta è alta, ma all'interno di un minimo margine di sicurezza (per temperatura ambiente 20°C). In modo step up, a pari potenza, è alta la corrente in ingresso e bassa quella in uscita, per cui il diodo D2 non si scalda pericolosamente.
In modo step down la corrente in ingresso è bassa e non crea problemi all'integrato alettato. Però, è alta quella di uscita: a 2A il diodo D2 supera gli 80°C dopo meno di 1 minuto. Decisamente troppo.

Quindi, la modifica successiva è stata quella di sostituire l'SS34 con il suo piccolo package, con qualcosa in grado di dissipare meglio il calore. Erano disponibili degli 1N5822, che sono comunque da 3A, ma in un contenitore con una superficie molto maggiore di quella del SS34.

Il diodo è saldato in verticale sulle piazzole del componente SMD e risulta comunque meno alto del dissipatore. Nelle condizioni seguenti il diodo scalda in modo più che accettabile, mentre migliora il rendimento. Vin Vout Iin Iout Tic W 12V 5V 1024mA 2A 40°C 9,7

La modifica relativa al dissipatore richiede poco lavoro e nessuna operazione di saldatura/dissaldatura, mentre per D2 si deve dissaldare il componente SMD e saldare il diodo sostitutivo.
In ogni caso, le modifiche possono essere consigliate se volete spremere il massimo dal modulo.

Dispiace, come al solito, trovare una così bassa professionalità nei costruttori cinesi: sarebbe bastato ben poco al progettista per inserire queste modifiche senza fatica ed ottenere un prodotto decente.

XL6009 è disponibile anche in un modulo con la sola funzione di step up per cui è dichiarata una tensione minima di ingresso di 3.8V, che è al limite dell'instabilità e comunque impedisce un funzionamento a partire da una cella al litio. Per questo modulo appare spesso l'indicazione: rated current is 2.5A, maximum 3A (Additional heatsink is required) ma anche 2.5A hanno portato il chip a temperature proibitive. Qui, tra l'altro, applicare un dissipatore efficace non è semplice, dato lo spazio assai limitato.

Si potrebbe pensare di fissare il dissipatore sul lato opposto a quello dei componenti: nonostante la vernice blu e lo spessore del circuito stampato, i vias possono costituire un passaggio ragionevole per il calore. Il problema è che si aumenta sensibilmente lo spessore del modulo. Per ridurre lo spesso c'è da aumentare la superficie ed occorre curare che il metallo del dissipatore non vada a cortocircuitare i punti non isolati, il che può richiedere lavoro meccanico che non pare sensato spendere.

Conclusioni.

E' un modulo che ha un prezzo abbastanza basso, che dichiara prestazioni notevoli e che, quindi, è diffuso.

Si tratta, però, del solito esempio di realizzazione al risparmio e vendita "allegra" cinese, che dichiara prestazioni non ottenibili in alcun modo.

E' evidente che i moduli cinesi non sono progettati tanto per essere funzionali, quanto per essere "piccoli" e sopratutto  economici e questo, assieme all'uso di componenti non particolarmente brillanti (e piuttosto sotto dimensionati) contrasta con la possibilità di gestire le elevate specifiche che poi sono dichiarate dai venditori. Comunque, volendo applicare qualche semplice modifica, si riesce a ottenere ben più di quanto si avrebbe dalla scheda così come è venduta: senza modifiche c'è da aspettarsi una corrente massima non oltre 1-1.5A; con le modifiche indicate si arriva a 1.5-2A.
Ovviamente 3-4A non sono gestibili dai componenti e tanto meno ci si deve avventurare in tensioni di uscita oltre i 35V. E neppure aspettarsi che funzioni correttamente sotto i 5V.

E, in effetti, forse il suo limite maggiore è quello di non poter essere usato con una cella al litio, condizione spesso presente in molte applicazioni. 

Nonostante i punti negativi sopra citati, è da considerare comunque un acquisto non sbagliato se si intende usarlo nei suoi limiti reali. Il rumore elettrico in uscita è presente, ma non in modo eccessivo e il sistema è stabile. 

Il suo aspetto migliore è quello di essere un SEPIC, ovvero di accettare qualsiasi combinazione ingresso-uscita all'interno del sue possibilità, il che lo rende un jolly che potrebbe essere utile avere nel cassetto per impieghi su batterie di veicoli, solare fotovoltaico, energia eolica e altre applicazioni dove la tensione di ingresso varia attorno a quella voluta in uscita.

Se, però, si necessita di tensioni minime da singola cella o si ha bisogno di correnti maggiori di 1,5-2A, è decisamente meglio rivolgersi ad altri prodotti.