Zapewne część z Was, drodzy Czytelnicy, próbowała kiedyś poskładać jakiś swój kawałek elektroniki. Zazwyczaj wtedy okazywało się, że akurat tego konkretnego elementu nie mieliśmy w naszych przepastnych zasobach elektronicznych szpargałów. Cóż, w dobie internetu i globalnych serwisów aukcyjnych zamówienie kilku sztuk nawet najbardziej egzotycznych podzespołów nie powinno stanowić problemu. Czasami trzeba dłużej poczekać, czasami “akurat nie ma na magazynie” i musimy szukać u innych sprzedających, ale koniec końców udaje się. Nie ma to większego znaczenia kiedy powstają kolejne prototypy. Jednak gdy nasz projekt ma trafić do produkcji, nawet małoseryjnej, zapewnienie jednego, pewnego i stałego źródła podzespołów jest kwestią kluczową. Trudno bowiem sobie wyobrazić sytuację, w której cała seria produkcyjna staje, gdyż akurat zabrakło jednego z elementów.
Nie inaczej mają się sprawy z naszym kolorowym projektem. Części zamawiamy u jednego z większych, europejskich dystrybutorów podzespołów elektronicznych. Dlaczego? Szybki czas dostawy, bezproblemowe wystawianie faktur, stałe monitorowanie ciągłości dostaw i co najważniejsze – gwarancja jakości dostarczanych podzespołów. No i o tym ostatnim chciałbym dziś porozmawiać 🙂
W ramach przygotowań do produkcji zakupiłem podzespoły u kilku dostawców, po to aby przetestować jak wygląda współpraca z nimi tak, aby finalnie wybrać jednego. Za kanwę dla naszych rozważań posłuży historia jednej z paczek, która zawierała m.in. przetwornice impulsowe LM2596 używane w naszym projekcie.
Tuż rozpakowaniu przesyłki, pewne podejrzenia wzbudził dziwny krój czcionki, którą wykonano znakowanie elementów. Zarówno on jak i samo rozmieszczenie tych oznaczeń na obudowie znacząco odbiegało od tego, które można było znaleźć na prototypowym egzemplarzu. Sprzedający zapewniał, że pochodzą z oficjalnej dystrybucji producenta (National Semiconductor, czyli de-facto TexasInstruments). Cena również nie była alarmująco niska (ok. 17zł/sztuka). Ostatecznie stwierdziłem, że przecież układy mogą pochodzić z różnych fabryk czy po prostu innych serii produkcyjnych. Wyszedłem z założenia (jak się miało okazać, błędnego), że skoro mają to samo oznaczenie, będą działać identycznie.
Akurat tak się składa, że sekcja przetwornicy 12V na 5V jest jedną z pierwszych w kolejności montażu. Dlaczego? Ano zanim wlutujemy dziesiątki elementów, warto sprawdzić czy aby na pewno nasza przetwornica pracuje poprawnie. Nie posiada ona bowiem żadnej izolacji galwanicznej, a co za tym idzie, w przypadku zwarcia podamy pełne 12V na szynę zasilania o nominalnym napięciu 5V. Skutki można łatwo przewidzieć 🙂 Słowo wyjaśnienia dotyczy szyny 3.3V, która jak pamiętamy, jest zasilana za pośrednictwem stabilizatora liniowego LDO ze wspomnianej szyny 5V. Tu akurat sprawa wydawałaby się być dość prosta – wystarczy nie montować stabilizatora.
Ale ale! Należy pamiętać, iż szereg elementów, choć zasilany z 5V, posiada bezpośrednie połączenia z podzespołami pracującymi z napięciem 3.3V. Dobrym przykładem są tu interfejsy CAN TJA1040, których poziomy logiczne dopasowane są zarówno do logiki 5 jak i 3.3V. Sam mikrokontroler SMT32 również posiada szereg pinów I/O akceptujących sygnały logiki 5V, mimo iż sam pracuje zasilany napięciem 3.3V. W takim wypadku pozostawienie szyny 3.3V pozornie odciętej od szyny 5V wcale nie gwarantuje bezpieczeństwa układów do niej podłączonych.
Tyle dygresji – wróćmy do naszej przetwornicy.Po zamontowaniu tych kilku elementów na płycie głównej, kolejnym krokiem jest podłączenie jej wejścia do napięcia 7-8V i sprawdzenia woltomierzem, czy nasza przetwornica daje na wyjściu oczekiwane 5V. Dlaczego zaczynamy od 7-8V? Cóż, w razie zwarcia będzie mniej dymu 😀 Drugi test to przejście na napięcie 12V i ponowne sprawdzenie szyny 5V. Ostatni test polega na ponownym podniesieniu napięcia, do 14.4V (nominalne napięcie w samochodzie) i sprawdzenie stabilności pracy przetwornicy pod obciążeniem około 1A.
Czemu ma służyć ostatni test? Przecież jeśli przetwornica daje oczekiwane napięcie, to powinna już działać poprawnie?
Otóż przetwornice impulsowe typu “buck” mają pewną paskudną przypadłość – potrafią być niestabilne zarówno przy braku obciążenia, jak i pod większym obciążeniem. Jest to bezpośrednio związane z ich zasadą działania, opartą o “przechowywanie” nadmiaru energii w indukcyjności cewki dławika oraz pojemności kondensatora wygładzającego. O ile praca “luzem” jest mało szkodliwa (nie ma czego uszkodzić :)), to znaczne obciążenie przetwornicy może doprowadzić do nasycenia ferromagnetyka będącego rdzeniem dławika i gwałtownego spadku indukcyjności. Zaburza to stabilność pracy i może powodować skoki napięcia wyjściowego – cewka nie będzie po prostu w stanie zmagazynować całego nadmiaru energii. Dłuższa praca w takim stanie może także doprowadzić do termicznego uszkodzenia dławika.
Hmm.. No fajnie, fajnie – ale co to ma wszystko wspólnego z podróbkami?
Właśnie teraz dochodzimy do najciekawszego momentu 🙂 Otóż właśnie w trakcie ostatniego testu przetwornica (a ściślej: dławik) zaczęła wydawać z siebie przeraźliwe piski i trzaski. Po odłączeniu zasilania okazało się, że wszystkie podzespoły są gorące. Pierwsze podejrzenie padło na dławik, ale szybkie sprawdzenie miernikiem indukcyjności i omomierzem nie potwierdziło moich przypuszczeń. Po ostygnięciu parametry dławika mieściły się w tolerancji podanej przez producenta w nocie katalogowej. Następnym “winnym” miała być dioda – szybki test… Jednak nie! Kondensator wygładzający był poza podejrzeniem, gdyż pochodził z prototypowego egzemplarza. Na placu boju pozostał tylko on, układ LM2596…
Wizualna inspekcja pod lupą nie wykazała żadnych fizycznych uszkodzeń – pęknięć czy śladów przegrzania. Postanowiłem dokładniej zbadać urządzenie w trakcie pracy. Na pierwszy ogień poszło sprawdzenie częstotliwości szpilek zakłóceń, które niechybnie będą pojawiały się na wyjściu mocno dociążonej przetwornicy. W przypadku układu LM2596 częstotliwość pracy wynosi około 150kHz, pozwalając stosować dławiki o relatywnie małej indukcyjności, rzędu 47uH. Jakież było moje zdziwienie gdy okazało się, że mój miernik częstotliwości pokazał wartości z przedziału 52-56kHz. Pomiar powtórzyłem na 4 innych układach, które otrzymałem w przesyłce – wartości były niemalże identyczne. Po chwili zastanowienia przypomniałem sobie pewien artykuł, który czytałem ładnych parę lat temu, dotyczący “podrabianych” układów LM2596. Dotyczył on co prawda wersji z nastawnym napięciem (ADJ), stosowanej w popularnych modułach przetwornic, jednak objawy jakie obserwowałem były niezwykle podobne do opisywanych.
http://k6jca.blogspot.com/2018/02/counterfeit-lm2596-regulator-boards.html (eng.)
Owe “podrabiane” scalaki LM2596 były w rzeczywistości kopiami starszych układów LM2576, które charakteryzowały się niższą sprawnością i były kluczowane częstotliwością około 52kHz. Nie mając pod ręką oscyloskopu, postanowiłem sprawdzić tę hipotezę w najprostszy możliwy sposób – według noty katalogowej LM2576 zalecany dławik powinien mieć indukcyjność 10x większą niż zastosowana, czyli 470uH.
Po przelutowaniu dławika i powtórzeniu testu z obciążeniem okazało się, że elementy przetwornicy są o wiele chłodniejsze niż miało to miejsce wcześniej. Wciąż jednak słyszalne było irytujące brzęczenie dławika, o nieco innej jednak częstotliwości. Pomiar napięcia pokazał wyraźnie widoczne, nawet na prostym woltomierzu, skoki i wahania napięcia. Zmniejszenie obciążenia do około 100mA spowodowało “wyciszenie” przetwornicy i ustabilizowanie napięcia.
Jakie wnioski płyną z naszej przygody?
Kupując podzespoły na pewnym popularnym, globalnym portalu aukcyjnym nie możemy mieć złudzeń co do ich jakości 🙂 Niestety nawet pozornie pewne źródła podzespołów w EU czasami same mogą okazać się ofiarami zalewu “podróbek”.
Polish 
English