Один из лучших способов изучить силовую электронику — это реверс‑инжиниринг качественных изделий. Недавно я полностью воссоздал DC/DC‑преобразователь Murata мощностью 369 Вт — от многослойной печатной платы до принципиальной схемы и конструкции магнитных компонентов.
В этой статье хочу поделиться с вами своим практическим опытом реверс‑инжиниринга импульсного источника питания RBQ-8.2/45-L48NBL2-CIS2. В свое время он был весьма широко распространён. Кстати, сейчас тоже можно найти за небольшую цену, иногда с наклейкой «тестовый образец, не для продажи».
По технике: входное напряжение 36 — 75 В, выходное 8,2 В, ток до 45А что дает 369 Вт в габаритах 58,5×37×13,2 мм (~13 кВт/Дм^3). Весьма солидный результат, учитывая что это разработка десятилетней давности. Конечно, надо понимать, что при работе на таких мощностях потребуется серьёзное охлаждение.
Это мой не первый источник на реверсе, и ввиду отсутствия вменяемой теории, экспериментальным путём разработал для себя следующий порядок действий: (Далее я работаю в среде Altium Designer, но всё аналогично и в других средах разработки)

Подготовительный этап. Делаю качественные фото источника с обеих сторон. Создаю в среде разработки печатных плат контур будущей платы (можно измерить или взять из описания). Затем устанавливаю выводы и очерчиваю расположение магнитопроводов. В дальнейшем они используются для примерной относительной ориентации.

Анализ пассивной ЭКБ. Весьма рутинный процесс. Снимаем каждый элемент и измеряем. Я пользуюсь двумя паяльниками, можно и феном, но аккуратно чтобы не задеть соседние элементы. Каждому измеренному элементу присваиваем позиционное обозначение, добавляем в проект, ставим на плату в примерно его место и кладем в подписанную коробочку. Пока не задаемся вопросом о соединении этого элемента или какую функцию он выполняет. Текстом можно добавить какую‑либо особенность, например что тип диэлектрика NP0 или что резистор синий. В итоге в проекте получается следующая картина:

Анализ активной ЭКБ. Действуем аналогично пассивной за исключением того, что вначале элемент надо идентифицировать. Обычно, начинаю с запроса в нейросети вида: опознай элемент «тип корпуса», маркировка «маркировка». Проверяем полученный результат, для этого в даташите находим раздел «marking» и сверяем. Если поиск в сети не дает результатов, то выпаиваем элемент и прозваниваем его по типовым схема: полевой транзистор, биполярный, пара диодов... После этого добавляем в проект и советую в комментарии добавить маркировку, для облегчения навигации по плате.

После того как все элементы сняты, самое время измерить силовые магнитные элементы. Измеряем индуктивность, в последующем, когда станет известно число витков, это поможет определить зазор в ферритах.

Далее необходимо определить топологию на всех слоях. Снимаем ферриты. Делаем качественные фото всех слоёв платы, в том числе верхнего и нижнего без элементов. Моя любимая хитрость, фото всех слоёв я собираю в презентацию, выравниваю по масштабу и центрую по переходным отверстиям. В результате при необходимости отследить путь дорожки с переходным отверстием, просто наводим курсор мыши на него и переходим на другие слои с помощью колёсика, быстро находя продолжение на других слоях. Например 4 слой выглядит так:

Восстанавливаем схему и топологию. Наконец все элементы расставлены на плате и есть в схемном редакторе. По фото источника выделяем соединенные пады элементов и трассируем, параллельно соединяя их на электрической схеме.

В конце получается схема исследуемого источника.

При первых шагах в реверсе я хотел добавить сюда, что на этом этапе сильно помогает знание схемотехники импульсных источников питания, но сейчас сделаю оговорку, не всегда. У меня был опыт реверса источника питания построенного на ШИМ‑контроллере UUC2809. Это однотактный контроллер, имеет выход на один транзистор. А управлял он обратноходом с активной защёлкой, синхронным выпрямлением и активным демпфером, то есть 4-мя транзисторами! Отталкиваться от типовой схемы применения контроллера там было абсолютно бесполезно. Поэтому, рекомендую, в общем случае руководствоваться именно трассировкой платы.

Итак, что можно сказать по поводу конкретного образца

Анализ конструкции

По конструкции плата 14-ти слойная с толщиной меди 105 мкм. Применяются исключительно сквозные переходные отверстия. Есть торцевая металлизация. Очень крутое решение с металлизированными полуотверстиями для перехода витков со слоя на слой.
Полуотверстия трансформатор.jpgПозволяет сэкономить место по сравнению с классическими переходными отверстиями и сделать шире витки. Советую взять на вооружение. Узлы расположены на плате достаточно логично, за исключением одного операционного усилителя. Все его выводы идут сразу на переходные отверстия, складывается такое впечатление что был добавлен в последний момент, по принципу «где место было».

Анализ схемотехники

По схемотехнике это классический полный мост (без фазосдвига), с синхронным выпрямлением. Обратная связь при этом по напряжению, трансформатор тока используется только для защиты от перегрузки и короткого замыкания. Сигнал при этом поступает напрямую на вывод «CS» ШИМ‑контроллера, данное решение очень простое и надежное, но не имеет гибкости в плане тока потребления при коротком замыкании. Современные тенденции склонны ставить ждущий одновибратор после токового трансформатора. Бросается в глаза отсутствие какой‑либо схемы ограничения выходного напряжения при обрыве обратной связи. Она необходима для того чтобы напряжение источник не повысилось до неприемлемых значений при неисправности контура основной обратной связи. Тем не менее при внимательном анализе, можно заметить что ограничение происходит по выводу «Ramp». При включении форма выходного сигнала выглядит так:

Фактически ограничивается длительность передачи энергии на выход обратно пропорционально входному напряжению. Звучит логично и просто, но это очень обманчиво, это возможно реализовать только если выходное сопротивление источника практически не зависит от температуры, иначе выходное напряжение будет «вылетать» вверх на холоде и ограничиваться ниже номинала при нагреве. В данном случае Японские инженеры всё сделали отлично и с этим проблем нет.

Отмеченный выше операционный усилитель, пожалуй, единственное место отклоняющееся от типовой схемы применения ШИМ‑контроллера. С помощью него увеличивается «мертвое время» на моменте запуска источника питания для защиты от обратного тока дросселя (специфика синхронного выпрямления).

Также необычно организована обратная связь. Типовое решение подавать напрямую выходное напряжение через делитель на усилитель ошибки. Здесь же вместо выходного напряжения берется напряжение с дополнительной обмотки трансформатора, которое пропорционально выходному. Как я уже говорил, это возможно делать только при условии экстремально низкого выходного сопротивления источника питания. Здесь с этим проблем нет, все реализовано и работает прекрасно.

Запасы устойчивости отличные, полоса 9,2 кГц:

Анализ магнитных элементов

Для меня самая интересная часть источника это его магнитные элементы. Обратите внимание на выпрямитель. Форма напряжения на транзисторе синхронного выпрямителя:

Отсутствуют какие‑либо демпферы, а выбросы напряжения минимальны, это свидетельствует о низкой индуктивности рассеяния трансформатора. Это достигается за счёт грамотного распределения обмоток трансформатора. В данном источнике оно следующее:

На мой взгляд, расположение слоев в планарных трансформаторах совсем нетривиальная задача, в работах которые находил, в основном общие слова, делайте максимальное перемежение и это уменьшит индуктивность рассеяния. На практике, как мне кажется всё сложнее.

Например, я сделал источник с четырьмя разными конструкциями трансформатора. Везде обмотки перемешаны, но чередование витков разное. В каком же получается минимальное рассеяние? Не очевидно, а разница между худшим и лучшим в 3 раза!

Анализ PCB layout

Используется большое число полигонов. Нет явного разделения на «сигнальную» и «силовую» земли. Так называемый подход в трассировке печатных плат «звездой» не применяется.
Возможно, единственное улучшение которое я бы предложил, использовать советы Rick Hartley, и сделать каждому сигналу по опорному земляному слою, тем более что 14 слоёв это позволяют реализовать. Например, конкретно, перенести все дорожки со второго слоя на третий, а второй сделать полностью земляным. По аналогии с остальными слоями.

Заключение

В заключение хочу сказать, что реверс‑инжиниринг зачастую — это не копирование чужого проекта. Это один из самых быстрых способов понять, почему опытные инженеры приняли те или иные решения.
Хочется сказать, что это очень классный источник питания. Конструктивно выполнен безупречно. Сама топология полного моста без фазосдвига имеет ряд недостатков: падение КПД при повышении входного напряжения, а также больший уровень шумов в сравнении с резонансными схемами, однако это не критично в большинстве применений.

Наконец, в следующей части соберем в железе полученную с помощью реверс‑инжиниринга копию, оценим насколько разработанный источник хуже/лучше оригинала, и поделюсь своим оригинальным методом трассировки планарного трансформатора и дросселя в среде Altium Designer.