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3款半 boost拓扑dc-dc升压模块性能测试对比/个别款纹波干扰巨大原因分析

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发表于 2022-7-27 12:42:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 qrut 于 2022-7-29 23:26 编辑

前不久测试了几款buck拓扑dc-dc降压模块,有坛友希望我再测几款升压模块,于是本着廉价第一原则挑选了3款对比测试(实际是4块板子),由于马宝廉价升压模块种类比降压少很多,又要排除一些同方案不同款的板子,还要价格合理,包邮也是必要条件,于是可选的就不多了,于是找出两款最廉价 最常见 销量也是最大的,外加一块稍贵一点的同步boost方案的升压模块作对比。第一款三两块抵扣红包后块八毛的,第二款抵扣后2-3元,最后一款比较贵,8.2元 我用了一个5元红包 到手3块多也是比较便宜的。

为了测试尽量精确,前两天我把电源给改成4线的了,面板加了一个插头,拔下来机内采样,插上后外部4线采样,因此大电流线损基本就不会再有了。这个电源原本屁股上带外部线补功能,但是不好用,所以自己改了一下,实测非常好用。
a.jpg


正负夹子多加了两根电压采样线,这样采样点就在夹子顶部,线损影响会变的非常小。
b.jpg


500ma短路测试,可以看到电源电压表回读为0,夹子两端线损压降被排除。
d.jpg


第一款就是mt3608/sx1308 等等叫什么都行,都基本上一个性能一个方案,马宝最廉价最常用应用也是最广的方案,因此不得不介绍。
非同步boost拓扑,输入2-24v ,输出最大28v ,电流马宝上就是瞎写了。手册里2a也是模糊概念且水分很大。
对于升压模块还是引入一个公式依照输入最大开关电流来标称性能比较直观明确,大概的公式 输入电压x输入电流x效率=输出电压x输出电流   比如输入5v ic最大输入开关电流3a,效率90% 输出12v时 最大输出电流就是1.1a左右,其他输入输出组合依照公式即可,效率是一个变量,一般输入越低,输出越高 压差越大 效率越低,带入公式时需要参照手册确定效率。


此款手册输出2a没提及条件,所以可以忽略,手册里最大开关电流3.5左右,实际远达不到(注意区分开关电流和输出电流)
体积对比,这个方案的模块非常的多,马宝绝大多数sot23-6的升压ic 的模块都是这个方案,因此测试一个基本就代表马宝很多同类模块的性能,比较有代表性。

IMG_20220721_093131.jpg


这个版本板子比较大,纹波性能也是最糟糕的(后面有测试)。
IMG_20220721_093224.jpg


输出二极管整流,输出电压可调。
IMG_20220721_093520.jpg


反面
IMG_20220721_093725.jpg


下面开测,电子负载也被我改成4线了,因此此次测试可以基本忽略线损对效率的影响。
IMG_20220721_093913.jpg


5v输入静态1ma 比较低
IMG_20220721_093918.jpg


调整输出到12v (由于几个模块输入输出范围都不一样,因此挑选一个都包含的输入输出范围,统一到5升12v,便于对比)
IMG_20220721_093958.jpg


本来懒得测纹波,比较麻烦,但是很多坛友希望看一下纹波表现,于是多加了纹波测试(示波器交流耦合 开20m低通)。这一测还真测出了点问题,下图模块空载纹波就达到800多mvpp ,而且包含大量尖峰干扰。
IMG_20220721_100305.jpg


5v输入,12v 0.3a 轻载测试,输入电流800ma左右,输入功率3.963w。
IMG_20220721_100525.jpg


输出300ma ,输出功率3.622w,效率将近91.4% 表现不错。
IMG_20220721_100537.jpg


纹波峰峰值竟然有1.7v ,可以看到大量干扰组成的干扰条带,这显然不正常。
IMG_20220721_100537a.jpg


输出300ma 3分钟后温升40多度,温温的比较轻松。
IMG_20220721_100537b.jpg


为了排除模块个体原因,800ma输出时换了一个同款模块测试,输入电流已经2.2a左右了,输入功率11.12w ,这个开关电流和已经是这个ic裸板的极限了。手册里的3.xA听听就好,实测就算上散热都不能达到,最多能3a附近。
IMG_20220721_101548.jpg


输出800ma 输出功率9.324w,效率83.8%左右,降低不少。
IMG_20220721_101555.jpg


换了模块纹波干扰达到惊人的3vpp,巨大的干扰条带。看来不是个体原因了,到底啥原因后面会分析。
IMG_20220721_101605.jpg


3分钟后ic温度来到117度,已经是裸板极限了,电流再大一点儿就会过热限流了。
IMG_20220721_101635.jpg


最后跑一下短时极限输出900ma,  此时输入功率12.395w 。
IMG_20220721_102211.jpg


输出900ma ,10.256w 效率又降了点82.7%。
IMG_20220721_102228.jpg


900ma纹波也差不多,所以这个模块5-12v 最大输出电流800ma是上限,如果输入电压降低输出电流会更小。应用时可以依照最大输入电流2.2a去计算,获得的计算结果比较接近真实状况。
IMG_20220721_102252.jpg


ic最高温度已经127度了,此状态维持不了多久就会过热限流。
IMG_20220721_102405.jpg


sx1308的资料,一般印字b628,模块支持输入电压电流范围比较宽,支持en使能,静态也比较小,就是封装原因开关电流很难达到手册了提到的。
IMG_20220721_112642.jpg


fb基准0.6v比较低,可以比较简单方便的修改成升压恒流等扩展应用。
IMG_20220721_112655.jpg

内部框图,比较常见的异步boost拓扑。
IMG_20220721_113014.jpg
下面分析一下纹波干扰巨大的原因,300ma输出时把波形展开,发现宽条带原来是尖峰振荡,这明显是板子分布电感造成的振荡引起的。
IMG_20220721_113014a.jpg


下面是boost拓扑包含分布参数时的等效电路,可以看到二极管有结电容,滤波电容包含寄生电感,mos管包含ciss电容 coss电容 crss电容,这三个电容分别称为输入电容,输出电容和逆导电容。红字是我标注的相互关系,图片比较胡,因此都重新标注了一下。
IMG_20220721_113014a1.jpg


第一个模块工作频率高达1.2mhz,因此分布参数对板子影响较大,下图右侧是mos关闭时的等效电路,此例干扰主要来源于mos输出端,因此主要介绍输出端寄生参数对性能的影响,mos关闭时二极管导通,因此输出回路谐振元素包含ld lb coss和ls ,ld大小主要影响mos耐压,过大的ld产生反电动势将叠加电源电压影响mos耐压的选择,这个不是此例主要因素。ls源极寄生电感相当于负反馈,对mos管开通有阻碍作用,使mos开通延长,因此轻微影响输出干扰振幅。最主要的是 mos关断时 lb和mos coss电容 ld ls 组成的串联谐振回路,其中lb位于输出回路因此对输出干扰振幅贡献最大,输出滤波电容 本身寄生电感和布线电感都归类到lb里面,因此如果lb布线过长将会导致输出产生尖峰振荡干扰。左边a是mos开通时的谐振回路,mos开通相当于短路,coss电容不在参与谐振,二极管截止 因此结电容cj将参与谐振,谐振回路包含lb cj ls ld ,可以看到lb无论开关与否始终参与谐振,因此是输出干扰的主要来源,这种干扰无论怎样增大滤波电容都是不起作用的。
IMG_20220721_113014a2.jpg


下面是第一款模块的板子,可以看到走线都是又细又长,最重要的部位布线,输出电容和二极管离的非常远,且细。这样将导致lb寄生电感很大,输出就会产生很大的尖峰干扰。属于先天性pcb布线不合理。
IMG_20220721_113014b.jpg


由于板子已经定型无法更改,于是只能用同类方案升压模块验证一下,ic方案型号完全一样,就是板子布线比较紧凑(暂称为小板,这就是标题里半款的来历),可以看到输出电容到二极管布线短且粗,整体分布参数会明显比大板要好一些。
IMG_20220721_113014c.jpg


反面
IMG_20220721_113014d.jpg


同样300ma 带载,宽的尖峰振荡干扰条带基本消失,纹波从1.7vpp降低到174mvpp,低了大概10倍。
因此坛友在挑选这个模块时要尽量选择b款小板儿的版本,纹波会小很多(当然也算不上很好),价格也比a款大板儿的便宜几毛。输入输出电压范围较宽,应对一些要求不高的小电流场合还是不错的。这个ic的电感取值一般在4.7-22uh之间,可以根据纹波需求适当调整,电感越大纹波越小,效率越低。
IMG_20220721_143859.jpg


下面第二款模块,基于xl6009的boost升压方案,也非同步boost。
体积对比,比第一款和第一款半 都要大不少。
IMG_20220721_183622.jpg


振荡频率比第一款低很多,只有400khz,用的铝壳电容和很大的电感。
IMG_20220721_183643.jpg


输入电压范围5-32v 比较宽,但是最低输入必须5v以上,商家声称的3v会使内部mos导通严重不足,效率急剧降低。耐压越高,输入范围越大,mos耐压就越要高,vgson就越高,最低输入电压要求也越要高,你选择低输入,就必须接受较低的输出,你选择输出电压能很高的模块,最低输入电压一定不会太低,这个由mos特性决定的。
IMG_20220721_183650.jpg


反面
IMG_20220721_183657.jpg


接好开测
IMG_20220722_100409.jpg


5v输入空载15ma,比第一款高。
IMG_20220722_100505.jpg


调到12v输出
IMG_20220722_100524.jpg


空载纹波35mvpp 比较低。
IMG_20220722_101128.jpg


也是先输出300ma,输入电流820ma,输入功率4.095w。
IMG_20220722_101208.jpg


输出300a,3.596w,效率87.8% 比第一款低也是预料之中。
IMG_20220722_101218.jpg


纹波310mvpp ,比第一款小板儿也大将近一倍。
IMG_20220722_101302.jpg


3分钟温度由于效率较低,也是比第一款要高一点儿。
IMG_20220722_101554.jpg


输出800ma时,输入电流来到2.358a,输出功率11.794w。
IMG_20220722_101755.jpg


输出800ma,功率9.956w,效率81.87%,仍旧低于第一款。
IMG_20220722_101758.jpg


纹波740mvpp 已经很高了。
IMG_20220722_101858.jpg

800ma 3分钟温升比第一款要低,但是输出滤波铝壳电解明显发烫(选用的电解应对400khz频率还是吃力),整体能维持低于第一款的温度主要还是因为体积庞大,散热面积较大,效率上并无优势。
IMG_20220722_102238.jpg


来个输出1a测试,输入电流已经3.1a 基本上是极限了,输入功率15.586w。
IMG_20220722_102444.jpg


输出1a 12.058w 效率降至77.36%
IMG_20220722_102452.jpg


纹波快1vpp了
IMG_20220722_102754.jpg


3分钟ic温度来到121度,已经是极限了,通过测试可以看到,总体性能要比第一款低,但是由于傻大笨粗,体积较大散热面积较大,能比第一款稍微多带10%的负载。但是最低工作电压较高需5v以上,静态较大,不适合锂电升压等场合。
IMG_20220722_102911.jpg


参数,5-32v输入,400khz,4a开关电流,实际可以按照2.3a去估算裸板输出能力比较合适。
IMG_20220722_102911a.jpg
管脚
IMG_20220722_102911b.jpg
用的mos rdson较高也是功耗大的一个原因。
IMG_20220722_102911c.jpg
框图,也是很常见boost异步架构。fb基准1.25v,改造恒流应用时需要加运放,比较麻烦,最高60v输出是它的优势(但是测试时的实物板子只能40v,拓展需要更换二极管和输出电容)。
IMG_20220722_102911d.jpg


第三款基于s61088a的同步boost方案,主要应用于12v以内输入输出范围。
IMG_20220727_082844.jpg


这个模块做成了usb输出,还加入了协议芯片,因此输入被限定在5v以内,输出12v最高。
IMG_20220727_082855.jpg


手册里10a的开关电流
IMG_20220727_083153.jpg


板子整体不大,电流3款里最大,达到10a,这在内置mos方案里已经算很大的了。
IMG_20220727_083446.jpg


升压ic型号
IMG_20220727_083618.jpg


协议ic,摘除协议ic下臂加个电位器可以拓展输入电压范围,突破5v最高输入限制,并且实现手动调压。
IMG_20220727_083724.jpg


反面
IMG_20220727_083847.jpg


先跑下协议,支持常用qc和fcp协议等等。
IMG_20220727_083847a.jpg


本来想这么连接,不过测试时发现u表内耗较大(12v时130ma)影响测试精度。
IMG_20220727_084408.jpg


所以换成自制简易qc诱骗器诱骗12v输出,静态才1,2个ma 。
IMG_20220727_084408a.jpg


5v空载时ua级别的静态
IMG_20220727_084446.jpg


输出默认5v
IMG_20220727_084458.jpg


诱骗12v输出时静态10ma左右(减除诱骗器功耗)。
IMG_20220727_085449.jpg


空载12v
IMG_20220727_085535.jpg


空载纹波30mvpp较低
IMG_20220727_085643.jpg


输出300ma带载,输入电流809ma,输入功率4.05w。
IMG_20220727_085736.jpg


输出3.551w ,效率87.7%,轻载由于pwm模式,所以效率并不是很高。
IMG_20220727_085750.jpg


300ma纹波44.8mvpp 比前两个都低。
IMG_20220727_085923.jpg


3分钟温升很凉快
IMG_20220727_090140.jpg


800ma输出,输入来到2a,输入功率10.414w。
IMG_20220727_090209.jpg


输出800ma 输出功率9.481w ,效率91% 达到手册最高效率。
IMG_20220727_090217.jpg


800ma纹波57mvpp 还是较低。
IMG_20220727_090307.jpg


3分钟温升 ic温升57度,微烫。
IMG_20220727_090424.jpg


直接2a输出,输入电流5.26a,输入功率26.301w。
IMG_20220727_090546.jpg


输出2a ,输出功率23.465w,效率89.2% 还算不错。
IMG_20220727_090551.jpg


纹波增加到108mvpp 尚可。
IMG_20220727_090612.jpg


3分钟温升ic已经117度,已经到裸板极限温度。所以第三款模块最大输入电流应该控制在5a左右。
IMG_20220727_090746.jpg


测个浪涌极限3a输出,输入电流8.377a(10a是限流极限),输入功率41.888w,ic已经过热输入电流开始不稳定。
IMG_20220727_091229.jpg


输出电流3a,输出功率34.539w,效率82.6%  大幅降低 这个输出电流也只持续了10几秒。所以想输出更大电流需要加散热,勉强能12v 3a左右工作。
IMG_20220727_091310.jpg


3a纹波708mvpp ,已经非常大了,因此还是开关电流5a以内,才能获得更好的性能。
IMG_20220727_091432.jpg


来自ti的tps61088资料,输入输出范围都不大,但是最低输入范围可以2.7v(2.4v闭锁保护,2.7v启动) 因此比较适合做成快充充电宝之类的应用,实际这个板子也是这么用的,升压快充相比降压快充安全性要高一些。
模块支持 软启动 开关电流限制设定 开关频率设定,轻载pwm pfm 切换 ,最大开关频率高达2.2mhz ,同步boost拓扑,完善的保护功能,是三款中性能最好的。
IMG_20220727_091432a.jpg
管脚
IMG_20220727_091432b.jpg


使用的低rdson mos ,低rdson就限制了耐压和电压范围。
IMG_20220727_091432c.jpg
顺便介绍一下fp6601协议ic 支持0.4-1.5vfb基准
IMG_20220727_092304.jpg

后级或者说前级dc-dc模块或者开关电源只要fb基准载0.4-1.5v这个范围就可以用(方便的改成快充头)。需要上臂fb取样分压电阻限制在100k,由于公式都是vout=(1+上臂/下臂)x基准,  上臂固定在100k了,输出默认都是5v 就可以测量fb引脚电压后计算出下臂电阻阻值,然后内部查表得出对应输出时控制电流到底该多大来改变前级输出电压。

IMG_20220727_092402.jpg
内部框图,可以看到基本运行原理,每个d+ d-都有两组比较器组成双门限电压比较器来检测d+ d-电压变化, 中间mos用来短接d+ d+ 在qc握手时通讯。最下面mos 两个作用,一个qc握手时的动作信号,对地拉低d- 开始握手流程。另一个用来d-调制实现华为fcp母线调制快充识别通讯。vdd有6.4v稳压管,因此外部供电只需一颗限流电阻无需再加入稳压。
IMG_20220727_092413.jpg
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发表于 2022-7-27 13:02:54 | 显示全部楼层
非常精彩,感谢楼主分享!这类升降压模块确实方便,好不好用真的要像楼主一样设备齐全才能分辨出来。
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发表于 2022-7-27 13:19:43 | 显示全部楼层
升压纹波都这么高
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发表于 2022-7-27 13:27:37 | 显示全部楼层
撸主家伙齐全,知识储备丰富,牛屁了...
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:06:34 | 显示全部楼层
aacyxjz 发表于 2022-7-27 13:01
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兄弟来了,谢谢支持~
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:07:07 | 显示全部楼层
cj8510 发表于 2022-7-27 13:02
非常精彩,感谢楼主分享!这类升降压模块确实方便,好不好用真的要像楼主一样设备齐全才能分辨出来。 ...

谢谢支持~
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:07:21 | 显示全部楼层
alangxl 发表于 2022-7-27 13:19
升压纹波都这么高

有高有低~
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:07:36 | 显示全部楼层
邪恶海盗 发表于 2022-7-27 13:27
撸主家伙齐全,知识储备丰富,牛屁了...

谢谢支持~
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:07:46 | 显示全部楼层

谢谢支持~
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发表于 2022-7-27 14:17:39 | 显示全部楼层
sx1308原来低功耗模式效率还好呢,这个东西有点烦的就是,经常一上电它就自己烧了
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:27:29 | 显示全部楼层
brianlee 发表于 2022-7-27 14:17
sx1308原来低功耗模式效率还好呢,这个东西有点烦的就是,经常一上电它就自己烧了 ...

嗯轻载效率不错~
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 楼主| 发表于 2022-7-27 14:34:42 | 显示全部楼层

谢谢支持~
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发表于 2022-7-27 14:56:31 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
感谢楼主费心测试,学习消化一下
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发表于 2022-7-27 15:06:55 | 显示全部楼层
这个帖子非常的累,光发帖就半天时间,如果对你有用希望多支持,先这些,如果有新内容再补充。
正准备问呢,起码要半天吧。。。
另外虽然大多数都不懂,特别分析等效电感电容那一节,但是就是觉得老铁很牛逼的 样子
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发表于 2022-7-27 15:35:31 | 显示全部楼层
小小的模块球球都能分析和测试的这么详细,后排搬小板凳学习了

那个3608模块很早以前我拿来给万用表升压供电,后来才发现静态功耗太大,纹波也离谱,那时候我还是个小白,青葱的小白

                               
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发表于 2022-7-27 15:36:53 | 显示全部楼层
aacyxjz 发表于 2022-7-27 13:01
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啤酒饮料矿泉水花生瓜子爆米花,来,伙计,把脚收一下

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发表于 2022-7-27 15:48:28 | 显示全部楼层
几种模块都有个问题,输入多少输出多少。按说明可调对自己反转几十下也没用。前面买了几批这种模块。有的正常,有的拿到就是这种问题。搜索
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