采用KIS3R33S模块制作的恒压恒流电源.docx
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采用KIS3R33S模块制作的恒压恒流电源
采用KIS-3R33S模块制作的恒压恒流电源
一、原理
尽管DC-DC降压的原理不是很简单，但可以把这个模块看成是一个黑匣子：
这个图也就是一个三端，因此功能类似LM317这样的三端稳压器。
输入电压4.75V到23V都可以，输出-输入有个最小压差，大约1.0到2.0V（电流小的时候压差小），输出是0.925V到20V可调。
压差大一些其实没有太大关系，顶多影响点效率。
由于是开关型的同步IC，因此效率很高：
这三根曲线都是输出=3.3V情况下的，红色是5V输入下，0.25A输出下效率可达95%。
绿色是12V输入，由于压差大，因此效率低了点，但在0.8A输出下仍然有91%。
所谓95%的效率，就是比如5V、2A输出的场合下，输入10V时仅仅需要1.05A（理想1.00A）。
官方电路
KIS-3R33S模块采用了MPS的MP2307为核心器件的降压式DC-DC，典型电路为：
输入4.75V起，最高23V（有人试验到30V没烧，但不建议这样做）；
输出可以从那个0.925V起调，一直到20V，电流可达3A，短时4A，有人试验到6A没烧，但不建议这样，电感也受不了。
采用两个内置的MOSFET进行同步整流，效率可达95%。
固定的340kHz振荡频率，算比较高的了，因此电感和滤波电容可以用的比较小。
从原理上看，就是IN和SW的MOS管首先导通，对电感储能，然后上面的管子断开、下面的闭合，电感的电流继续通过下面的MOS管流动。
根据输出的大小，反过来控制开关的占空比，达到可控输出的目的。
所谓同步整流，就是用MOS管替代肖特基管，在需要输出的时候控制MOS管闭合或断开，续流也是用MOS管。
由于MOS管的导通电阻非常小，速度也快，因此整流压降进一步减少，效率进一步提高，尤其是对低压输出的场合。
成品照片
成品模块的体积很小，21.8mm×20.9mm，厚度7.5mm。
以下照片，是5个模块在不同拆解阶段放在一起拍的，点击可见大图：
成品电路
可以看到，与厂家典型电路基本一样，黑色本底就是厂家的，红色是模块不同的地方。
因此，这个模块就是一个5V转3.3V用的，输出大约有2A。
改动的地方，主要是增加了一个5A保险，在D1上并联了一个C7，输出电容限于体积只有2.2uF，但并联；加了一个5.1V的稳压二极管D2。
R1是电压设置电阻，用了两个51k并联，同时从5脚通过一个3.3k的电阻引出成为Vadj。
如果你需要一个3.3V的电源，那么可以直接使用，无需任何改动。
如果要想改动输出电压，需要改变25.5k即可。
二、可调电压输出改动
该模块原始输出3.3V是有它自己特定的目的、用在特定的环境下。
而我们拿到模块后，可能用在不同的目的、需要不同的输出电压，因此就需要改动。
而为了适合不同的场合，电压一般改成可调的。
最早的改动大概是某商家作出的，由于大批量的进货，必须做出改动说明才好出售，参考文章在此：
里面有“十个起拍！
”的字样，因此很可能是某淘宝商家的，其中的修改图如下：
对这个修改，我的评价是：
“把332去掉，短接”。
这个一般没有必要，这个电阻是与控制端串联的，电流很小，电阻起保护作用。
“2个513去掉，空着”。
这个是有必要的，因为这电阻是调节电压的，需要自己替换
“D去掉，空着”。
这个D实测是5.1V的稳压管，那样电压高了会有问题，所以超过4.5V输出时要拆掉。
但4.5V以下应用时可以不拆。
“C去掉，空着”。
这个没有必要去掉，电容是并联在输出上的，陶瓷电容耐压也不会有问题。
由于频率为340kHz很高，因此去掉此电容没有高频滤波了。
最早吃螃蟹的，也许是YLEEE的巧克力网友：
他也引用了刚才那个修改图，也给出一个电路图：
增加了两个插接口、两个电解、一个可调电阻，还有一个控制。
而根据类似的电路做成的成品也很多，这里是一个：
改固定5V输出的一个方法：
去掉稳压管，把一个51k换成330k。
后来，YLEEE的GrandF网友有了更多的修改：
有关GrandF网友的负压输出：
第二种负压模式：
实测输出19.5V1A
线路接法：
Vin与Vout输入，Vin 与GND输出，Vadj 接Vin，去除R3（脚的定义见上图）
例如：
R1换成200K，Vin与Vout输入5V，那么Vin 与GND就输出19.5V
输出电压=0.925V*（R1+R2）/R2；R1设为200K，输出19.5V~=0.925V*（200K+10K）/10K
改变R1就可以调节输出电压
其实，无论是第一种负压还是第二种负压，也就是正常的方式，但把输入的负，从地改到Vout，等于站到巨人的肩膀上：
这样，输入一下子就减少了输出这么多，电压是以Vout为公共点，看起来输出就是负的。
事实上，由于压差可以大于输出，因此这其实也是升压电路。
按理说压差只要维持在2V甚至更低就可以保持输出，但只输入2V是不能启动的，启动至少要4.2V以上，保险起见就只好5V输入了。
不过，只要启动后，输入电压下降也可以，下降到2V时仍然可以保持9V的输出，达到进一步升压的目的。
当然，输出电压多少，与正常接法的计算方法完全一样，而任何正常的电路，包括各种恒流的改进，只要把输入的负接到输出的正，就可以达到负压/升压的目的。
三、可调恒流输出改动
以上的改动均为电压输出，而很多场合下需要恒流的，例如充电、LED照明。
这就需要能做成恒流的。
但是，这个模块本意是降压应用，厂家典型电路里也根本没有恒流电路一说。
那么这个问题就无法解决了？
当然不是，因为采用外加运放和相关的电路就可以很容易达到这个目的。
运放的方法很多，下面是一个链接：
图片:
MOD4.jpg
这个电路采用了TL431做基准，分压后与0.15欧电流采样电阻上的压降比较，电流超出后通过一个二极管控制Vadj，达到限流的目的。
但是，采用运放不仅复杂，而且可能引入相移使得电路不稳定。
手电论坛的v-mosfet网友，首次实现了无运放的350mA恒流改进电路：
他的方法其实并不复杂，首先用0R5电流采样电阻得到0.175V电压，但这个电压太小，然后与TL431电压基准的可调分压叠加，就可以达到模块要求的0.925V，就是所谓戴维宁叠加定理。
当电流增大后叠加后的电压也超过了0.925V，通过控制端就可以使得输出减少。
这个电路的优点在于无需直接让采样电阻的电压达到0.925V那么高，从而节省了压降和功耗，维持了模块较高的效率。
当然，这个方法要注意，补偿法会引起不稳定因素，因为在采样电阻上的电压小，其余电压的变动会等价为更大的不稳定因素。
举个极端的例子，采样电阻0.025欧、电流1A，采样电压0.025V，补偿电压0.9V。
当这0.9V的电压有1%的变动（0.009V），成为0.909V，那么模块会维持0.925V不变，采样电压就变成0.016V了，因此恒流电流就变成0.016/0.025=0.64A了，变化了36%，是补偿电压的36倍！
因此，采样电压不宜太小，以不小于0.1V为限。
另外，2.5V的分压电阻也要求比较稳定，包括可调电阻尽量用小一些。
这种恒流电路自从被发现以后，被广泛使用。
再一次改进，是手电论坛的suncrab网友，针对可调可能短暂开路使得输出电流大增的弊病，把可调改到下端，短暂开路电流变小，不会烧坏：
再后，有lijianak1网友用只6个元件改成恒流
其实就是省去2个电阻，让可调电阻配合内部电阻形成分压。
当然，这个电路仍然存在因电位器接触不良造成输出超界的弊病。
最后看一下，手电论坛的dpcom网友，采用这个电路做恒流源，但把所有的附加元件焊接在原来的背板上，体积非常小
有人也许会问，这个模块的恒流源有什么优势？
最简单的优势就是效率高、发热小。
因为是开关式的恒流源。
四、我的测试和理解
以下测试，所用的设备包括（但不限于）：
IT6122精密电源
HP34401A6.5位万用表
Fluke2894.5位万用表
IT8512电子负载
1、输出电压相关测试
原模块，不进行任何改动，空载输出范围在3.27V附近。
原模块，不进行任何改动，输出空载，输出电压在3.27V附近稳定的场合下，输入电压4.2V到7.0V。
更低的输入则输出变小，更高的入则输出不稳定（内部输出电容2.2uF太小）。
外部接入0.47uF电容，输入到10V仍然稳定；外部接入10uF电容，输入到23V仍然稳定。
为方便起见，以下所有测试，均在模块的输入端并联了220uF25V电容，输出端并联了470uF25V电容。
空载电流和输出电压与输入电压的关系：
2、效率测试
第一个效率曲线，与厂家测试方法类似，得到的曲线也非常类似，该模块的效率真的可以达到95%！
只不过我测试的时候，延伸了电流测试范围，低端到0.1A，高端到4A。
另外，我增加了一个8V输入。
可以看到，输入5V下在0.2A到1A之间，效率可达94%以上；输入8V输出1A时效率可达93%；输入12V输出1A时效率也可以达到91%。
除此之外，还进行了恒定输出功率下，效率随输入电压的测试。
低功率输出，压差低是效率不错，但压差高了效率很快降低；
中功率输出，效率很好，但仍然随压差变大而降低；
大功率输出，效率有下降，而且随压差增大下降不快；
压差很小时，1W到2W附近可以取得最高的95%效率；
压差5V下，2W到3W之间可以取得93%的效率；
压差10V下，3W到4.5W之间可以取得91%的效率。
3、负压/升压下的效率
前面说过，所谓负压，就是把输入的负接到输出的正上，这样输出+就成为公共点了，因此输出的地就是负电压了。
另外，由于输出可以大于压差，因此也成为升压接法。
从电路上，就是输入的负换个位置，其余的都不改动。
这种接法的用途，一个是可以产生负压，与另外一个模块共同使用，就可以出正负电源。
另一个用法就是升压了，可以把5V到8V的电压升高到10V到18V，但此时的真正输入电压是与输出电压叠加的，输入电压不应该超过23V，而压差输入至少要5V，因此输出就只能最大18V。
也就是说，最大的升压是5V升18V。
但是，这种接法的效率到底如何呢？
为了测试升压，把模块的Vadj接一个200欧电阻到地，改成10V输出，内部5.1V稳压管去掉，同时测试了正常情况下的效率，下图就是对比测试。
细线是正常的接法，但横轴画成压差的方式，比如压差为3V时，实际输入为13V。
粗线是升压的接法，横轴压差就是输入电压。
可以看到，正常接法的细线，形状很类似3.3V输出的曲线，但效率更高了，小电流小压差的情况下达到了97%！
而且在较大输出电流下，效率并不怎么随压差的增大而降低。
另一方面，升压接法时，效率下降比较大，尤其是输入电压（也就是压差）较低时。
小电流0.1A负载时，输入电压低至1.5V也可以工作（当然不能启动），此时效率只有75%。
输入3V时效率最高，83%，随后效率随输入电压下降，并与正常用法的0.1A负载效率曲线重合。
0.5A负载时，输入电压最小只能是3.2V，5V输入效率87%也可以了，效率峰值出现在7V的88%，随后少许下降。
因此，这个负载附近是比较好用的。
1A负载时，输入要4.5V以上，而且效率不高，5V下只有80%，也就是自耗散为2.4W，发热严重了，因此不能长时间使用。
更大的电流下就更没有使用价值了。
1.5A下难于启动。
另外，此种接法的静态电流和静态功耗也比较大：
最后，从曲线上可以看出，的确在1V的输入下可以工作并输出10V！
当然直接加上1V是不能启动的，只能先加上5V，启动后再降低，这样就限制了低压升压的范围。
经测试，10V空载下，最低启动电压4.1V。
4、电压外部调节
在不开盖的基础上，通过对Vadj串接电阻到地或串接电阻到Vout，可以调节电压。
开盖调节的问题，是里面元件太小焊接容易出问题，外壳也容易拆坏，因此不太适合多个批量更改。
当然，改高电压时，还是需要开盖把内部的5.1V稳压管去掉。
也有直接改高电压通电烧毁的方法，这样就彻底不用开盖了。
更改的方法，可以通过把Vadj接一个电阻到地，用来增大电压，也可以通过把Vadj接一个电阻到Vout，用来减少电压。
例如要求输出5V，查表可知，通过把Vadj外接一个10.4k电阻到地，就可以输出5V；
再如要求输出9V，查表可知，通过把Vadj外接一个800欧电阻到地，就可以输出9V；
这种方法，最大输出电压是10.4V，通过把Vadj直接短路到地而得到。
另一方面，可以通过把Vadj接一个电阻到Vout来降低电压，例如接12k就可以输出1.8V。
5、输出电压随On/Off的控制特性
根据厂家，控制特性是一个施密特电路，控制电压是2.5V，有0.21V的回差。
也就是说，电压上升后2.6V突然开启，然后控制电压下降到2.4V突然关闭。
实测并非如此。
实测，电压上升到2.468V突然开启，有点偏低，但也算正常；但电压下降后有个缓慢的过程，直到2.365V才突然关闭。
回差只有0.10V。
6、其它测试
振荡频率：
323kHz（厂家指标：
340kHz）。
模块重量：
5.03克（不同模块可能不同）。
五、我的可调恒流电路
我的恒流电路也很简单，基本上就是前面suncrab网友的电路（电位器在下面）。
但我采用了AZ432做稳压器。
这个稳压IC输出1.25V而不是2.5V，这样就可以把R2取得比较小，对提高稳定度有利。
另外，这个IC的最小电流只有0.06mA，而不是TL431的0.4mA，因此R1就可以从2k增大为10k，可以节电或用在需要效率更高的地方。
另外，电位器我选择了体积比较小的单圈4.7k，可以方面的把所有元件装在电路板的背面。
由于阻值合适，因此电流几乎在整个电位器的调整范围内都有效，再者多数恒流场合对电流精度也要求不高，因此不感觉比多圈电位器不方便。
首先是模块本身的改造：
有人问，为什么把10k电阻也去掉了？
主要是为了后面的恒压，需要模块响应灵敏，因此要直接暴露IC的原始ADJ管脚。
然后是背面增加元件：
安装的过程：
先把背板的大面积地开个L型的槽，独立出“输出-”，找3个0.47欧的小型电阻跨接焊好作为检流电阻，把AZ432的中脚也焊接上，两边的脚悬空焊接在一起。
电位器的中点和上点焊接在Vadj上，下点焊接10k到地，最后悬浮焊接10k和5.1k。
整个元件布局比较紧凑，高出电路板大约4.6mm，最高的为电位器。
焊完实际测试，电流在0.05A到1.00A可调，恒流效果很好，达到预期。
AZ432可调稳压器件（1.25V）数据表
az432.pdf （225K）下载次数:
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这个IC也很便宜，淘宝有卖。
如果要求更小的电流，可以采用LM385-1.2，也是1.25V，但最小电流达到0.01mA。
六、我的可调恒流简易可调限压电路
其实，很早就有dradeng网友，在DIY移动电源（充电器）的时候，在KIS输出和En端之间加了5.6稳压管，把模块最高输出电压限制在6V左右：
后来mytomatoes网友，在做升压恒流的时候，也加了一个7.4V稳压管，实现了限压：
当然，这种限压最主要的缺点，是不能调节，限压精度也很有限。
采用运放+外围电路，可以实现很精确的可调恒压恒流功能，但除了复杂外，电路不容易稳定也是缺陷。
尽管这个白菜电路也不必要增加太复杂的外围，但一个简单可靠的可调恒压恒流还是有必要的。
我这里给出一个电路，在恒流的基础上，通过简单增加两个元件，在可调恒流基础上，实现了可调限压。
原理很简单，用电位器R7进行可调的输出电压采样，并用Q1与Vadj的0.925V做比较，电压超出大约0.5V后Q1开始导通，把Vadj拉高，从而限制了输出电压的进一步增大。
Q1接成射随的方式，因此有较大的电流增益。
但由于Vadj的电压可以认为是不变的，因此射随不会真正的跟随起来。
用射随的另一个好处是响应速度很快，不会造成不良的滞后。
当然，这个电路主要目的是恒流的，这种简易的恒压方法特性不会理想。
用三极管做比较，其Vbe有一定的温度系数，再就是三极管导通电压模糊，使得恒压部分不是很平坦。
不过，这种方式最大的优点是简单，只用2个元件。
与稳压二极管限压电路比，这个电路的精度类似，但实现可限压的大范围可调。
温度系数的方向是高温下限制电压变低，这恰恰是很多地方所需要的，比如高温下对锂电充电应该减少电压、低温下可以适当提高电压。
安装起来也很容易，利用背板剩余的空间，正好放下两个元件，高度也没有增加
其中，三极管用了C1815，用别的常见小功率NPN管都可以。
电位器用了30k，其实用10k也更好，我没有找到合适的。
由于三极管有放大作用，因此对电位器的阻值并不挑剔。
电位器的右边直接焊地，左边接到输出+进行电压采样，中点悬空接三极管的B，三极管的E和C就近悬空接到Vadj和1.25V基准上。
电位器的采样线可以考虑串入一个等阻值的电阻，这样可以扩大限压范围。
目前限压是1V-10V，串联电阻后可以是1V-20V。
那么，这个恒流恒压电路的表现到底如何呢？
接上IT6122电源、HP34401万用表和IT8512假负载进行测试，输入电压为10V，调节到690mA和8.4V，结果如下：
其中横线的恒流部分，是采用定压方式测试的，而右边的恒压附近，是采用的恒流模式。
理想的恒压恒流曲线，是一个矩形，或者说是两条平直线，恒压部分是垂直的，拐点尖锐。
实测情况看，恒流特性还是有一些不理想，电压高时电流反而增大。
恒压特性自然也不很理想，不是垂直的。
当然，如果用在例如锂电池充电的目的，这个不理想还是可以忽略的，因为在距离结束电压只有0.15V下，还有一半的充电电流。
补一张改动后模块的斜侧面照片
七、我的恒压+完美可调限流电路
一个电源电压的稳定是最重要的指标，因此恒压是主要的应用。
但白菜电路没有限流，这是缺陷。
上节的建议限压，是以恒流为主的，电压限制的不理想，曲线弯曲。
为了能够完美限流，看来必须用运放了。
这样才能放大检流电阻上的微小信号，控制输出。
经过考虑，采用了带有片内基准的低功耗、宽电压运放LM10：
安装起来也比较顺利，关键是两个主要元件体积大，没办法进行了磨边。
布局设计时，要满足不超过板子大小的要求，高度不超过卧式可调的高度，管脚引线尽量短。
正面，只把5.1V稳压管取下，换成10uF电容，其余没做任何改动，保持3.3V定压输出。
如果需要其它电压，可以调节25.5k电阻。
但若改成可调的，那板子背面就没有空间了，只能放在外边。
背面，先刻出输出槽，接地点去掉油漆，焊接运放，焊接检流电阻，焊接可调。
最后，只有那个二极管“飞”了一下。
其中的0.05欧检流电阻，是从一个小型水泥电阻里拆出来的，否则体积太大，根本放不下。
即便这样，也在适当的地方弯折了90度。
之所以称为完美限流，主要是限流点非常精确，限流之前对输出没有任何影响，达到限流点后马上限制。
以下曲线，是设置在2.00A限流点后测试的，输入电压6.0V。
发现一个小毛病，电位器顺时针调节的时候，电流是减少的。
其实，把电位器反转安装即可，只不过背面向下了。
3.3V、2A放电了1个小时，用手感觉温度，电感大约温升25度，芯片温升35度，检流电阻温升也大约35度。
因此，在2A下长期使用看来是没有问题的。
顺便测试一下3.3V、2A输出的效率，电压读数用Fluke289从模块引脚根部进行，电流从电源和假负载上读出。
输入5.60V、1.265A、7.084W，输出为3.178V、2.000A、6.356W，效率=89.7%
当然，电路加上了检流电阻，还有LM10的消耗，否则是超过90%的。
八、应用
本模块，具有体积小、效率高、发热小、输出比较大的特点，尤其是价格便宜，弄坏了不心疼，还可以拆元件用。
由于这些特点，非常受DIY者青睐，以下列举一些应用场合。
1、LED灯DIY
市场上存在大量的照明LED，但LED需要恒流，这是组装时最头痛的。
有了白菜模块，可以简单的组成350mA或者700mA的恒流源，输出电压可以自适应，最大可以达到20V。
2、便携电源
可以用锂电供电，输出固定电压，具有输出稳定、输出电流大、效率高、体积小的特点。
3、充电器
市面上1A以下的充电器很多，但缺少2A、3A的。
本模块经过限压改进后，可以用在锂电充电上。
但这个应用要慎重，因为模块没有逆放电保护，当充电的过程中万一断电，则电池会对模块放电。
4、车充
实现13.8V到5V的转换，具有电流大、效率高的特点。
5、太阳能转换器
太阳能电池的输出具有功率、电压变化大的特点，很难直接使用或给电池充电。
采用本模块，就可以高效的转换成统一的电压，直接使用，或者可以给电池充电。
6、作为电池供电设备的稳压电源
电池供电的设备大多都是携带式的，例如笔记本电脑、收音机、随身听、万用表、LED灯等。
这些设备目前的电源，绝大多数都是采用开关电源，以便达到适应范围宽、高效利用能源的目的。
因此，这个模块也自然可以用于此种目的。
最适合2节到4节锂电输入、2W到20W输出的场合。
也可以用于4节5号电池或4节镍氢电池供电。
7、做灵敏开关
利用模块的ON/OFF使能端，可以关闭或唤醒，灵敏度很高。
对应芯片的En端口，标称2.5V附近实现开关，类似施密特触发器，有0.2V的回差。
例如电压大于2.6V开启，电压小于2.4V关闭，
模块关闭后耗电极小，可以长期接入电池。
而En端是高阻输入，只需很小的电流就可以导通，达到启动目的，启动后可以从电池转换成稳
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