基于XL6009開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院 占佳鋒 馬穎婷 王海時(shí)

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)是由開(kāi)關(guān)管和控制開(kāi)關(guān)管的脈沖發(fā)生器構(gòu)成，即：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)：PWM）。由于開(kāi)關(guān)電源相比于線(xiàn)性電源具有效率高，功耗小、體積小、重量輕等優(yōu)良特性，所以被廣泛用于軍工設(shè)備、通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、安防監(jiān)控、數(shù)碼產(chǎn)品和儀器儀表等鄰域。

目前，有分立元件搭建而成的升壓、降壓及升降壓開(kāi)關(guān)電源電路，也有專(zhuān)用集成開(kāi)關(guān)電源芯片。這些芯片集成了開(kāi)關(guān)管和脈寬調(diào)制電路。開(kāi)關(guān)電源芯片的開(kāi)關(guān)管可由三極管和功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，而因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管的類(lèi)型不同，構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路所能提供的電流及功率也各不相同。XL6009是上海芯龍半導(dǎo)體有限公司的產(chǎn)品，是其公司在國(guó)際領(lǐng)先的升壓芯片，在升壓大電流領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但其市場(chǎng)價(jià)格并不高，零售價(jià)在3元人民幣左右，應(yīng)用于鋰電池管理電路單元中，可以取得極好的效果。通過(guò)對(duì)本芯片的使用，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用方式不只是應(yīng)于升壓，也可以由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析組成其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源電路。

2 XL6009的介紹及其經(jīng)典應(yīng)用電路

2.1 XL6009芯片介紹

XL6009是一款寬電壓輸入升壓型直流電源變換器芯片，輸入電壓范圍5V～32V，最大輸出電壓60V，最大輸出電流4A，自帶1.25V基準(zhǔn)，400KHZ開(kāi)關(guān)頻率，采用MOSFET做開(kāi)關(guān)管，效率達(dá)到90%以上。該芯片采用TO263-5L封裝，1腳為接地腳（GND），2腳為使能端（EN），3腳為開(kāi)關(guān)輸出腳（SW），4腳為輸入腳（VIN），5腳為反饋腳（FB）。內(nèi)部集成400KHZ的PWM波信號(hào)調(diào)制器以及功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，集成1.25V基準(zhǔn)源，用于與反饋腳（FB）輸入電壓進(jìn)行誤差比較放大，從而改變脈沖寬度，進(jìn)一步調(diào)整輸出。自帶使能端，做到一鍵開(kāi)啟和關(guān)閉。內(nèi)置器件保護(hù)，包括熱關(guān)斷、過(guò)流保護(hù)、輸出短路保護(hù)等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1[1]所示。

圖1 XL6009內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 典型升壓電路

XL6009芯片的典型應(yīng)用是通過(guò)連接少量的外圍元件構(gòu)成Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)到升壓效果。XL6009升壓電路圖如圖2所示，該電路作為本款芯片的典型應(yīng)用電路。當(dāng)且僅當(dāng)使能端 CR為高電平時(shí)，該電路能正常工作。SW作為開(kāi)關(guān)管輸出端，輸出電壓給負(fù)載R供電，結(jié)合XL6009內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1以及外部元件綜合分析，可得到XL6009升壓變換器簡(jiǎn)化電路，如圖3所示。

圖2 XL6009升壓電路圖

圖3 XL6009升壓電路簡(jiǎn)化圖

由圖3可知，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，XL6009的升壓電路直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的Boost升壓電路。所以，根據(jù)Boost升壓電路器件選擇原則，電感L1不可太小，整流管VD需為肖特基二極管，使其開(kāi)關(guān)速度更快。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，整流管VD截止，電流方向從左到右給電感L1充電，此時(shí)只有電容C1給負(fù)載R供電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，整流管VD導(dǎo)通，根據(jù)電感的電流特性可知此時(shí)的電感L1電流方向不變，所以電感L1右側(cè)電勢(shì)更高使得極性相反[2]，通過(guò)整流管VD給負(fù)載供電并給電容C1充電，達(dá)到升壓效果，此時(shí)輸出電壓：

由于XL6009內(nèi)部自帶1.25V基準(zhǔn)，與反饋腳FB進(jìn)行差分放大比較，調(diào)整內(nèi)部脈沖寬度，穩(wěn)定輸出電壓，所以輸出電壓與電阻R1和電阻R2有關(guān)。根據(jù)差分放大器具有虛短路的特性，可將反饋腳FB視為固定1.25V，于是輸出電壓表達(dá)式如式（1）：

在使用圖1所示的升壓變換器電路時(shí)，結(jié)合Boost升壓應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問(wèn)題，有以下注意事項(xiàng)：由Boost升壓條件可知，電感L1不能太小，否則造成磁飽和導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管T燒毀；反饋FB的信號(hào)應(yīng)當(dāng)要短并且需要遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)管和電感；在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需將電感、整流管連接的線(xiàn)路加粗，方便大電流流過(guò)。

3 XL6009芯片的拓展應(yīng)用

根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以很容易地了解到芯片的3號(hào)腳（SW）是一個(gè)具有PWM波驅(qū)動(dòng)的MOS管串聯(lián)采樣電阻接地。分析時(shí)，忽略采樣電阻，將視作SW引腳是接到MOS管的漏極D，MOS管的源極S直接接地。于是芯片其實(shí)可以直接等價(jià)為一個(gè)自帶PWM波驅(qū)動(dòng)的MOS管，只是源極接地，只將MOS管的一端引出作為引腳輸出。于是通過(guò)這種等效，可組成以下不同的電路。

3.1 Sepic拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升降壓電路

XL6009升降壓電路如圖4所示，升降壓電路相比于Boost升壓電路引入了電容C1和電感 L2，但電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卻變得完全不一樣，與Boost升壓電路分析方式一樣，結(jié)合外圍元件和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可將圖4簡(jiǎn)化出其對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化電路圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)圖5，可知經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的XL6009的升降壓電路即為Sepic斬波電路（即：?jiǎn)味艘淮蝹?cè)電感式變換器）。由兩只電感，兩只電容，一只開(kāi)關(guān)管和整流管組成。同樣整流管VD需為肖特基二極管，達(dá)到快速開(kāi)關(guān)的效果。

圖5 XL6009組成Sepic升降壓電路簡(jiǎn)化圖

得到的電流來(lái)源于兩條支路：一條支路是電源VIN的電流經(jīng)過(guò)電感L1后通過(guò)電容C1再流過(guò)整流管VD在負(fù)載上消耗；另一支路是電感L2中存儲(chǔ)的電流流經(jīng)整流管VD在負(fù)載R上消耗。所以總輸出電流為I0= IL1+IL2。

電感L1和開(kāi)關(guān)管T的組合類(lèi)似于升壓變換，而電感L2和整流管VD的作用類(lèi)似于反激式降壓/升壓變換器，所以本電路具有升降壓特性。其中電容C1的作用不僅是做耦合電容，只起到隔直通交的作用，重要的是它類(lèi)似于一個(gè)“能量傳送帶”，當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電容C1開(kāi)始充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，將能量傳遞給電感L2。根據(jù)Sepic電路輸出電壓計(jì)算表達(dá)式如式（1）：

其中α表示所調(diào)制的PWM波能使開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通的時(shí)間。所以輸出電壓與輸入電壓的極性相同并且脈沖寬度有關(guān)，而XL6009芯片內(nèi)部集成PWM發(fā)生器，通過(guò)差分放大得到的反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)源1.25V比較，從而改變脈沖寬度，即可調(diào)整輸出。其輸出電壓與升壓電路的輸出電壓一樣，表達(dá)式如式（2）：

在進(jìn)行如圖4所示XL6009芯片的升降壓電路應(yīng)用時(shí)，需有以下注意事項(xiàng)：選取電感需關(guān)注其時(shí)間常數(shù)需要遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期，所以L(fǎng)1不可太小，在開(kāi)關(guān)管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，太小會(huì)造成磁飽和；由于電容C1完成Sepic電路很重要的作用是進(jìn)行儲(chǔ)能，所以其值不可過(guò)小，過(guò)小會(huì)造成難以穩(wěn)定負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定；在進(jìn)行電路的PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，需要使高頻回路盡量小，即：將XL6009芯片的SW腳與電容C1和整流管VD和電容C2所形成的回路盡量小，這樣對(duì)外產(chǎn)生的干擾會(huì)更小；反饋先要遠(yuǎn)離高頻回路，否則會(huì)造成極大的干擾，難以穩(wěn)定輸出。

3.2 Cuk拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升降壓電路

圖6 XL6009組成Cuk升降壓電路圖

Cuk斬波電路相比于Sepic電路輸入和輸出之間都是由一個(gè)電容輸送能量，而它們的區(qū)別在于電感和整流管的位置。Cuk電路最大的特點(diǎn)是：其輸入段和輸出段均有電感，這樣可以減小輸入和輸出的電流波動(dòng)；輸出電壓與輸入電壓的極性相反。Cuk變換器相當(dāng)于Boost電路和Buck電路合并開(kāi)關(guān)管后串聯(lián)構(gòu)成，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提供一個(gè)反極性、不隔離的輸出電壓。[4]根據(jù)Cuk的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了如圖6所示的XL6009構(gòu)成Cuk升降壓電路。其中L1、L2為儲(chǔ)能電感，VD為整流管，C1為傳輸能量的耦合電容，R1、R2電阻用與調(diào)整輸出電壓。經(jīng)過(guò)與以上電路的分析方法一樣，簡(jiǎn)化后的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)此時(shí)的簡(jiǎn)化電路就是一個(gè)典型的Cuk變換器，與Sepic電路不同的就是將Sepic電路的電感L2和整流管VD互換位置。

圖7 XL6009組成Cuk升降壓電路簡(jiǎn)化圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)管T截止時(shí)，整流管VD處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電路有兩條回路：L1存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移給C1，此時(shí)電容C1開(kāi)始存儲(chǔ)能量，電容兩端電勢(shì)為左高右低；另一條回路由電感L2的存儲(chǔ)的能量以電流形式表現(xiàn)流過(guò)整流管在負(fù)載R上消耗，負(fù)載R的電流和電容C1的充電電流同時(shí)流經(jīng)整流管VD。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，整流管VD受反壓截止，此時(shí)電路仍然有兩條回路：電容C1釋放的能量通過(guò)開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)移到電容C2、負(fù)載R和電感L2兩端，所以電感L2兩端電勢(shì)左低右高；電感L1的充電電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管為電感L1存儲(chǔ)了來(lái)自電源的能量，負(fù)載上的電流和電感L1的充電電流同時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管T。所以每一次開(kāi)關(guān)管T和整流管VD交替導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)的電流都是兩條支路電流之和。根據(jù)以上分析可知，電感L1具有升壓作用，電感L2具有降壓作用，而每次流過(guò)負(fù)載的電流的方向總是由下往上，所以VOUT+的電勢(shì)低于VOUT-的電勢(shì)，即：輸入電壓與輸出電壓極性相反。

由于輸出電壓大小與電感L1、電感L2的作用時(shí)間比例有關(guān)，即與開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)。輸出電壓為：

δ為開(kāi)關(guān)管T的導(dǎo)通時(shí)間。所以輸出電壓與開(kāi)關(guān)管T所調(diào)制的脈寬有關(guān)，而脈沖寬度的調(diào)整依據(jù)來(lái)源于反饋端FB的電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)的差分放大所得的結(jié)果，所以只需改變反饋端FB的反饋電壓即可改變輸出電壓。由圖6，根據(jù)XL6009內(nèi)部集成1.25V基準(zhǔn)源，根據(jù)差分特性，直接等效反饋端FB的電壓為1.25V，根據(jù)分壓電阻計(jì)算輸出電壓，其表達(dá)式如式（3）：

在進(jìn)行如圖6所示XL6009芯片的升降壓電路應(yīng)用時(shí)，需有以下注意事項(xiàng)：由于輸出電壓的極性與輸入電壓極性相反，由于內(nèi)部自帶的1.25V基準(zhǔn)，所以不能直接分壓反饋，需與Boost升壓和Sepic升降壓有所區(qū)別；電容C1與圖4的Sepic電路中電容C1一樣，作用是進(jìn)行儲(chǔ)能，所以其值不可過(guò)??；由于XL6009內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率400KHZ，所以對(duì)于電感選取方便了，但是要求整流管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)當(dāng)盡量快，否則很難達(dá)到預(yù)想的效果。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

圖4的升降壓電路，可以用于鋰電池管理單元。18650鋰電池的輸出電壓范圍波動(dòng)較大，特別是當(dāng)鋰電池電量不足時(shí)，輸出電壓會(huì)降低。如果直接用于電路供電，一些精密儀器可能會(huì)由于供電電壓不穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)造成不可逆影響。若應(yīng)用如圖4所示的升降壓電路，使其處于恒壓工作模式，可將輸出電壓穩(wěn)定輸出在某一個(gè)電壓上。但在使用中，多數(shù)設(shè)計(jì)者會(huì)將使能端接到輸入，使其完全工作。但造成的問(wèn)題是無(wú)法得知鋰電池的狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致鋰電池過(guò)放而影響鋰電池后續(xù)使用甚至損壞。如果使用本電路作為鋰電池管理單元，可以在采集輸入電壓經(jīng)過(guò)同相單限比較器，如圖8所示。在比較器反相端調(diào)整閾值至某一警惕值。如果鋰電池電量不足到達(dá)設(shè)定的警惕值時(shí)，則比較器輸出信號(hào)為低電平并接入到使能端，使XL6009完全關(guān)閉，輸出電壓為0；僅當(dāng)鋰電池輸出電壓高于警惕值時(shí)，比較器輸出高電平，使XL6009正常工作，輸出負(fù)載系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定供電電壓，使得負(fù)載系統(tǒng)工作正常。而且值得一提的是使用該電路的成本極低，卻可以通過(guò)供電穩(wěn)定保護(hù)價(jià)格高昂的負(fù)載。

圖8 單門(mén)限比較器

4 同類(lèi)型升壓型芯片比較

XL6009芯片是芯龍半導(dǎo)體公司XL產(chǎn)品升壓系列中的一種，與XL6009芯片類(lèi)似的芯片還有XL6007等芯片，其很多性能和使用方式與XL6009芯片類(lèi)似，只是因?yàn)閄L升壓系列芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)類(lèi)似。包括其他品牌的電源芯片，與XL6009相比的其他升壓型芯片各有特色，從輸入輸出電壓、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率和基本性能簡(jiǎn)單比較如表1所示。

表1 其他升壓型芯片的性能參數(shù)

5 結(jié)論

XL6009芯片其本質(zhì)更像是一個(gè)單端接地、自帶PWM波驅(qū)動(dòng)的MOS管，所以它能夠組成許多經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不僅僅可以用來(lái)組成典型應(yīng)用的Boost電路，通過(guò)研究不同的開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，XL6009可以應(yīng)用于許多電路中，若該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)管單端接地，XL6009便能夠發(fā)揮一個(gè)類(lèi)似于自帶脈寬調(diào)制的MOS管使用。

在XL系列的芯片中，許多芯片與XL6009類(lèi)似，甚至完全可以視為一個(gè)能自動(dòng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)脈寬的MOS管，比如：XL4015是與XL6009相反的一款降壓型芯片。XL4015與XL6009不同之處在于XL4015內(nèi)部MOS管單端接電源輸入。所以對(duì)于XL6009這類(lèi)芯片更應(yīng)該將其視作為一個(gè)MOS管模塊，只需要電路結(jié)構(gòu)中的開(kāi)關(guān)管與芯片中的MOS管接法類(lèi)型相同，即可簡(jiǎn)單高效地應(yīng)用，并且能夠達(dá)到極好的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，如今電力的轉(zhuǎn)換效率尤為被重視。而所有電子設(shè)備的基礎(chǔ)在于電源管理，當(dāng)下，電源芯片的發(fā)展制造正飛速前進(jìn)，將來(lái)在許多電子設(shè)備上都將能看見(jiàn)它們的身影，一款好的電源芯片甚至將能決定一臺(tái)精密電子設(shè)備的壽命。

[1]XLSEMI.Corp.XL6009 Datasheet[EB/OL].http：//www.xlsemi.com,2014.

[2]楊明欣.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第1版)[M].北京：高等教育出版社,2012：253-254.

[3]程夕明.功率電子學(xué)原理及其應(yīng)用 (第1版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011：123.

[4]王華龍.CUK電路理論分析[J].金色年華(下),2011(5)：250.