Практическое обратное проектирование источника питания Murata

Детальный анализ готовых устройств премиум-класса — один из наиболее продуктивных методов освоения силовой электроники. Недавно я завершил полный цикл воссоздания 369-ваттного DC/DC-преобразователя от компании Murata: от топологии многослойной печатной платы и принципиальной схемы до геометрии моточных изделий.
В этой публикации я поделюсь практическим опытом реверс-инжиниринга импульсного модуля питания RBQ-8.2/45-L48NBL2-CIS2. В прошлом это решение пользовалось огромной популярностью. К слову, его и сегодня можно приобрести по весьма привлекательной цене, порой даже с маркировкой «engineering sample / not for sale».
Краткие характеристики: диапазон входного напряжения составляет 36–75 В, на выходе получаем 8,2 В при токе до 45 А. В итоге имеем 369 Вт полезной мощности при скромных габаритах 58,5×37×13,2 мм (удельная плотность порядка ~13 кВт/дм³). Внушительный показатель для разработки десятилетней давности. Разумеется, функционирование на подобных режимах требует организации эффективного теплоотвода.
Это далеко не первый мой опыт исследования схемотехники методом обратной разработки. За неимением исчерпывающей методической литературы я выработал собственный эмпирический алгоритм действий (все работы ведутся в Altium Designer, однако подход применим в любой профильной CAD-системе).

Подготовительная стадия. Выполняем детализированные снимки платы с обеих сторон. В среде проектирования задаем контур будущей печатной платы (габариты можно замерить штангенциркулем или взять из спецификации). Затем расставляем посадочные места вывода и обозначаем зоны размещения магнитных сердечников, которые в дальнейшем послужат ориентирами для позиционирования.

Инвентаризация пассивных компонентов. Довольно монотонная процедура. Демонтируем и замеряем параметры каждого элемента. Я предпочитаю использовать паяльную станцию с двумя паяльниками, хотя допустим и демонтаж термофеном, но предельно аккуратно, чтобы не повредить соседнюю мелочевку. Каждому компоненту присваиваем позиционный индекс, заносим в базу проекта, размещаем на плате приблизительно на родном месте и складируем в маркированный бокс. На данном этапе мы не задумываемся о функциональном назначении узла или его электрических связях. Полезно добавлять текстовые пометки — например, указать класс диэлектрика конденсатора (NP0) или цветовую маркировку резистора. В результате в проектной среде формируется следующая картина:

Анализ активной компонентной базы. Процесс схож с пассивом, но с предварительной идентификацией полупроводников. Обычно я начинаю с запроса к языковой модели: прошу распознать элемент по форм-фактору корпуса и буквенно-цифровой маркировке. Полученный результат обязательно перепроверяем по официальному datasheet в разделе «Marking». Если интернет-поиск не дал плодов, выпаиваем чип и проверяем его структуру прозвонкой (полевой либо биполярный транзистор, диодная сборка и т.д.). Интегрируем элемент в проект, настоятельно рекомендуя прописывать оригинальную маркировку в комментариях для удобства дальнейшей навигации.

После демонтажа всех элементов наступает очередь силовых магнитных компонентов. Фиксируем индуктивность обмоток — в дальнейшем, после подсчета витков, это позволит точно вычислить воздушный зазор в сердечниках.

Следующий шаг — восстановление топологии внутренних слоев. Демонтируем ферритовые сердечники и делаем высококачественные сканы или фото каждого слоя печатной платы, включая внешние слои после полного очищения от компонентов. Мой любимый лайфхак: импортирую графику всех слоев в презентацию, масштабирую их до единого разрешения и центрирую по общим переходным отверстиям. В дальнейшем при трассировке достаточно навести курсор на переходное отверстие и прокручивать колесико мыши, мгновенно отслеживая продолжение проводника на смежных уровнях. К примеру, четвертый слой выглядит следующим образом:

Реконструкция схемы и разводки. Элементы расставлены, схемная база сформирована. Опираясь на визуальные данные фотоматериалов, выявляем соединенные контактные площадки и прокладываем связи, параллельно соединяя их в редакторе принципиальных схем.

В финале получаем готовую электрическую принципиальную схему исследуемого устройства.

На заре увлечения реверс-инжинирингом я полагал, что глубокие познания в классической силовой схемотехнике решают абсолютно все задачи. Однако спешу сделать оговорку: далеко не всегда. В моей практике был случай препарирования ИП на базе ШИМ-контроллера UUC2809. Это однотактный контроллер с выходом на единственный силовой ключ. При этом он управлял обратноходовым преобразователем с активным фидбэком (активным демпфером), синхронным выпрямлением и четырьмя транзисторами в силовой части! Опираться на типовые схемы включения из даташита здесь было бессмысленно. Поэтому главный совет — в сложных случаях отталкивайтесь исключительно от физической трассировки проводников.

Особенности изученного образца

Конструктивный анализ

Плата насчитывает 14 слоев при толщине медного фольгирования 105 мкм. Используются исключительно сквозные переходные отверстия и присутствует торцевая металлизация. Крайне изящное техническое решение — применение металлизированных полуотверстий для межслойной коммутации витков.
Полуотверстия трансформатор.jpg Это позволяет существенно сэкономить текстолит по сравнению с классическими переходными отверстиями и нарастить ширину проводников. Определенно стоит взять на вооружение. Компоненты сгруппированы логично, за исключением одного операционного усилителя: все его выводы уходят прямо в переходные отверстия, создавая впечатление, что микросхему добавили в проект в самый последний момент по остаточному принципу.

Схемотехнический анализ

С точки зрения схемотехники перед нами класический мостовой преобразователь (без фазового сдвига) с синхронным выпрямлением. Петля обратной связи завязана по напряжению, в то время как трансформатор тока задействован исключительно в контуре защиты от перегрузок и КЗ. Управляющий сигнал поступает напрямую на пин «CS» контроллера — подход подкупает надежностью и простотой реализации, но проигрывает в гибкости настройки токовых лимитов при аварийных ситуациях. В современных разработках принято устанавливать одновибратор сразу после токового датчика. Бросается в глаза отсутствие явного узла защиты от выброса напряжения при обрыве обратной связи. Данный механизм критически важен для предотвращения неконтролируемого роста выходного напряжения в случае сбоя цепи ОС. Тем не менее, детальный анализ показывает, что ограничение заложено на выводе «Ramp». В момент старта переходный процесс выглядит следующим образом:

По сути, длительность импульсов передачи энергии на выход ограничивается обратно пропорционально уровню входного напряжения. Решение элегантное, но рискованное: оно работает безупречно лишь при условии, что выходное сопротивление источника абсолютно индифферентно к температурным колебаниям. Иначе на холоде выходное напряжение будет «уплывать» вверх, а при прогреве — просаживаться ниже номинала. Инженеры компании-разработчика справились с этой задачей блестяще.

Упомянутый ранее операционный усилитель — пожалуй, единственное отклонение от стандартной аппликационной схемы контроллера. Он используется для динамического расширения мертвого времени («dead time») при запуске устройства, предотвращая протекание сквозных токов через дроссель (специфика архитектуры синхронных выпрямителей).

Любопытно организована и цепь обратной связи. Вместо классического снятия сигнала непосредственно с выхода через резистивный делитель, ОС запитывается от вспомогательной обмотки силового трансформатора, напряжение на которой строго пропорционально выходному. Как отмечалось ранее, подобный фокус возможен лишь при исчезающе малом внутреннем сопротивлении источника. Здесь этот нюанс учтен идеально.

Запасы устойчивости контура регулирования превосходные, ширина полосы пропускания составляет 9,2 кГц:

Исследование магнитных компонентов

Наиболее увлекательный этап — изучение моточных узлов. Обратите внимание на узел выпрямления. Осциллограмма напряжения на ключе синхронного выпрямителя выглядит так:

Демпфирующие цепочки полностью отсутствуют, а коммутационные выбросы сведены к минимуму. Это прямое следствие минимизации индуктивности рассеяния трансформатора за счет оптимальной структуры чередования обмоток. В данном преобразователе схема укладки слоев имеет следующий вид:

Проектирование стека слоев для планарных трансформаторов — задача нетривиальная. Большинство профильных публикаций ограничиваются общими рекомендациями вроде «делайте максимальное интерлевинг-перемежение для снижения паразитной индуктивности рассеяния». На практике все гораздо сложнее.

Например, я изготовил экспериментальный блок с четырьмя различными вариациями трансформаторов. Во всех случаях применялось взаимное проникновение обмоток, но последовательность чередования витков отличалась. Какой вариант показал минимальное рассеяние? Ответ неочевиден, при этом разница по потерям между лучшим и худшим исполнением достигала трех раз!

Анализ топологии печатной платы

Разводка изобилует массивными полигонами. Четкого разделения на «шумную» силовую и «чистую» сигнальную земли не наблюдается, классический принцип звездообразной топологии здесь не используется.
Пожалуй, единственное усовершенствование, которое я бы внедрил, опираясь на заветы Рика Хартли (Rick Hartley) — выделение сплошного опорного земляного слоя под каждый сигнальный проводник, тем более что многослойность в 14 уровней это позволяет. В частности, можно было бы перенести сигнальные цепи со второго слоя на третий, а второй полностью отдать под землю, повторив этот подход для остальных экранирующих слоев.

Итоги

Резюмируя сказанное, отмечу: обратная разработка — это не просто слепое тиражирование чужих чертежей. Это один из быстрых путей осознать логику принятия инженерных решений мастерами своего дела.
Перед нами безупречно спроектированный источник питания. Сама топология моста без сдвига фаз имеет inherent-недостатки: падение эффективности с ростом входного напряжения и более высокий уровень электромагнитных помех на фоне резонансных аналогов, однако для большинства практических сценариев это некритично.

В следующей части мы материализуем полученную в ходе реверса схему «в железе», проведем стресс-тесты, сопоставим параметры клона с оригиналом и разберем мою авторскую методику трассировки планарных моточных изделий в среде Altium Designer.

 

Источник