基于XL6009开关电源系统开发

2018-05-30成都信息工程大学通信工程学院占佳锋马颖婷王海时

电子世界 2018年9期

成都信息工程大学通信工程学院占佳锋马颖婷王海时

1 引言

开关电源是通过控制开关管导通和关断的时间比例，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源的一般结构是由开关管和控制开关管的脉冲发生器构成，即：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称：PWM）。由于开关电源相比于线性电源具有效率高，功耗小、体积小、重量轻等优良特性，所以被广泛用于军工设备、通讯设备、医疗设备、安防监控、数码产品和仪器仪表等邻域。

目前，有分立元件搭建而成的升压、降压及升降压开关电源电路，也有专用集成开关电源芯片。这些芯片集成了开关管和脉宽调制电路。开关电源芯片的开关管可由三极管和功率场效应管构成，而因为开关管的类型不同，构成的开关电源电路所能提供的电流及功率也各不相同。XL6009是上海芯龙半导体有限公司的产品，是其公司在国际领先的升压芯片，在升压大电流领域技术已经达到国际先进水平。但其市场价格并不高，零售价在3元人民币左右，应用于锂电池管理电路单元中，可以取得极好的效果。通过对本芯片的使用，发现其应用方式不只是应于升压，也可以由其内部结构分析组成其他拓扑结构的开关电源电路。

2 XL6009的介绍及其经典应用电路

2.1 XL6009芯片介绍

XL6009是一款宽电压输入升压型直流电源变换器芯片，输入电压范围5V～32V，最大输出电压60V，最大输出电流4A，自带1.25V基准，400KHZ开关频率，采用MOSFET做开关管，效率达到90%以上。该芯片采用TO263-5L封装，1脚为接地脚（GND），2脚为使能端（EN），3脚为开关输出脚（SW），4脚为输入脚（VIN），5脚为反馈脚（FB）。内部集成400KHZ的PWM波信号调制器以及功率场效应管驱动电路，集成1.25V基准源，用于与反馈脚（FB）输入电压进行误差比较放大，从而改变脉冲宽度，进一步调整输出。自带使能端，做到一键开启和关闭。内置器件保护，包括热关断、过流保护、输出短路保护等，其内部结构如图1[1]所示。

图1 XL6009内部结构

2.2 典型升压电路

XL6009芯片的典型应用是通过连接少量的外围元件构成Boost拓扑结构达到升压效果。XL6009升压电路图如图2所示，该电路作为本款芯片的典型应用电路。当且仅当使能端 CR为高电平时，该电路能正常工作。SW作为开关管输出端，输出电压给负载R供电，结合XL6009内部结构如图1以及外部元件综合分析，可得到XL6009升压变换器简化电路，如图3所示。

图2 XL6009升压电路图

图3 XL6009升压电路简化图

由图3可知，经过简化后，XL6009的升压电路直接转化为经典的Boost升压电路。所以，根据Boost升压电路器件选择原则，电感L1不可太小，整流管VD需为肖特基二极管，使其开关速度更快。当开关管T管处于导通状态时，整流管VD截止，电流方向从左到右给电感L1充电，此时只有电容C1给负载R供电；当开关管处于截止状态时，整流管VD导通，根据电感的电流特性可知此时的电感L1电流方向不变，所以电感L1右侧电势更高使得极性相反[2]，通过整流管VD给负载供电并给电容C1充电，达到升压效果，此时输出电压：

由于XL6009内部自带1.25V基准，与反馈脚FB进行差分放大比较，调整内部脉冲宽度，稳定输出电压，所以输出电压与电阻R1和电阻R2有关。根据差分放大器具有虚短路的特性，可将反馈脚FB视为固定1.25V，于是输出电压表达式如式（1）：

在使用图1所示的升压变换器电路时，结合Boost升压应当关注的问题，有以下注意事项：由Boost升压条件可知，电感L1不能太小，否则造成磁饱和导致开关管T烧毁；反馈FB的信号应当要短并且需要远离开关管和电感；在进行PCB设计时，需将电感、整流管连接的线路加粗，方便大电流流过。

3 XL6009芯片的拓展应用

根据其内部结构如图1所示，可以很容易地了解到芯片的3号脚（SW）是一个具有PWM波驱动的MOS管串联采样电阻接地。分析时，忽略采样电阻，将视作SW引脚是接到MOS管的漏极D，MOS管的源极S直接接地。于是芯片其实可以直接等价为一个自带PWM波驱动的MOS管，只是源极接地，只将MOS管的一端引出作为引脚输出。于是通过这种等效，可组成以下不同的电路。

3.1 Sepic拓扑结构升降压电路

XL6009升降压电路如图4所示，升降压电路相比于Boost升压电路引入了电容C1和电感 L2，但电路的拓扑结构却变得完全不一样，与Boost升压电路分析方式一样，结合外围元件和芯片内部结构，可将图4简化出其对应的简化电路图结构如图5所示。根据图5，可知经过简化的XL6009的升降压电路即为Sepic斩波电路（即：单端一次侧电感式变换器）。由两只电感，两只电容，一只开关管和整流管组成。同样整流管VD需为肖特基二极管，达到快速开关的效果。

图5 XL6009组成Sepic升降压电路简化图

得到的电流来源于两条支路：一条支路是电源VIN的电流经过电感L1后通过电容C1再流过整流管VD在负载上消耗；另一支路是电感L2中存储的电流流经整流管VD在负载R上消耗。所以总输出电流为I0= IL1+IL2。

电感L1和开关管T的组合类似于升压变换，而电感L2和整流管VD的作用类似于反激式降压/升压变换器，所以本电路具有升降压特性。其中电容C1的作用不仅是做耦合电容，只起到隔直通交的作用，重要的是它类似于一个“能量传送带”，当开关管截止时，电容C1开始充电；当开关管导通时，将能量传递给电感L2。根据Sepic电路输出电压计算表达式如式（1）：

其中α表示所调制的PWM波能使开关管T导通的时间。所以输出电压与输入电压的极性相同并且脉冲宽度有关，而XL6009芯片内部集成PWM发生器，通过差分放大得到的反馈电压与内部基准源1.25V比较，从而改变脉冲宽度，即可调整输出。其输出电压与升压电路的输出电压一样，表达式如式（2）：

在进行如图4所示XL6009芯片的升降压电路应用时，需有以下注意事项：选取电感需关注其时间常数需要远大于开关周期，所以L1不可太小，在开关管T处于导通状态时，太小会造成磁饱和；由于电容C1完成Sepic电路很重要的作用是进行储能，所以其值不可过小，过小会造成难以稳定负载两端电压稳定；在进行电路的PCB布局设计时，需要使高频回路尽量小，即：将XL6009芯片的SW脚与电容C1和整流管VD和电容C2所形成的回路尽量小，这样对外产生的干扰会更小；反馈先要远离高频回路，否则会造成极大的干扰，难以稳定输出。

3.2 Cuk拓扑结构升降压电路

图6 XL6009组成Cuk升降压电路图

Cuk斩波电路相比于Sepic电路输入和输出之间都是由一个电容输送能量，而它们的区别在于电感和整流管的位置。Cuk电路最大的特点是：其输入段和输出段均有电感，这样可以减小输入和输出的电流波动；输出电压与输入电压的极性相反。Cuk变换器相当于Boost电路和Buck电路合并开关管后串联构成，这种拓扑结构能提供一个反极性、不隔离的输出电压。[4]根据Cuk的拓扑结构，设计出了如图6所示的XL6009构成Cuk升降压电路。其中L1、L2为储能电感，VD为整流管，C1为传输能量的耦合电容，R1、R2电阻用与调整输出电压。经过与以上电路的分析方法一样，简化后的电路结构如图7所示。可以发现此时的简化电路就是一个典型的Cuk变换器，与Sepic电路不同的就是将Sepic电路的电感L2和整流管VD互换位置。

图7 XL6009组成Cuk升降压电路简化图

当开关管T截止时，整流管VD处于导通状态，此时电路有两条回路：L1存储的能量转移给C1，此时电容C1开始存储能量，电容两端电势为左高右低；另一条回路由电感L2的存储的能量以电流形式表现流过整流管在负载R上消耗，负载R的电流和电容C1的充电电流同时流经整流管VD。当开关管T处于导通状态时，整流管VD受反压截止，此时电路仍然有两条回路：电容C1释放的能量通过开关管转移到电容C2、负载R和电感L2两端，所以电感L2两端电势左低右高；电感L1的充电电流通过开关管为电感L1存储了来自电源的能量，负载上的电流和电感L1的充电电流同时流过开关管T。所以每一次开关管T和整流管VD交替导通时，流过的电流都是两条支路电流之和。根据以上分析可知，电感L1具有升压作用，电感L2具有降压作用，而每次流过负载的电流的方向总是由下往上，所以VOUT+的电势低于VOUT-的电势，即：输入电压与输出电压极性相反。

由于输出电压大小与电感L1、电感L2的作用时间比例有关，即与开关管的导通时间有关。输出电压为：

δ为开关管T的导通时间。所以输出电压与开关管T所调制的脉宽有关，而脉冲宽度的调整依据来源于反馈端FB的电压与内部基准的差分放大所得的结果，所以只需改变反馈端FB的反馈电压即可改变输出电压。由图6，根据XL6009内部集成1.25V基准源，根据差分特性，直接等效反馈端FB的电压为1.25V，根据分压电阻计算输出电压，其表达式如式（3）：

在进行如图6所示XL6009芯片的升降压电路应用时，需有以下注意事项：由于输出电压的极性与输入电压极性相反，由于内部自带的1.25V基准，所以不能直接分压反馈，需与Boost升压和Sepic升降压有所区别；电容C1与图4的Sepic电路中电容C1一样，作用是进行储能，所以其值不可过小；由于XL6009内部开关频率400KHZ，所以对于电感选取方便了，但是要求整流管的开关速度应当尽量快，否则很难达到预想的效果。

3.3 应用实例

图4的升降压电路，可以用于锂电池管理单元。18650锂电池的输出电压范围波动较大，特别是当锂电池电量不足时，输出电压会降低。如果直接用于电路供电，一些精密仪器可能会由于供电电压不稳定对系统造成不可逆影响。若应用如图4所示的升降压电路，使其处于恒压工作模式，可将输出电压稳定输出在某一个电压上。但在使用中，多数设计者会将使能端接到输入，使其完全工作。但造成的问题是无法得知锂电池的状态，可能会导致锂电池过放而影响锂电池后续使用甚至损坏。如果使用本电路作为锂电池管理单元，可以在采集输入电压经过同相单限比较器，如图8所示。在比较器反相端调整阈值至某一警惕值。如果锂电池电量不足到达设定的警惕值时，则比较器输出信号为低电平并接入到使能端，使XL6009完全关闭，输出电压为0；仅当锂电池输出电压高于警惕值时，比较器输出高电平，使XL6009正常工作，输出负载系统所需要的稳定供电电压，使得负载系统工作正常。而且值得一提的是使用该电路的成本极低，却可以通过供电稳定保护价格高昂的负载。

图8 单门限比较器

4 同类型升压型芯片比较

XL6009芯片是芯龙半导体公司XL产品升压系列中的一种，与XL6009芯片类似的芯片还有XL6007等芯片，其很多性能和使用方式与XL6009芯片类似，只是因为XL升压系列芯片内部电路结构类似。包括其他品牌的电源芯片，与XL6009相比的其他升压型芯片各有特色，从输入输出电压、输出电流、开关频率和基本性能简单比较如表1所示。

表1 其他升压型芯片的性能参数

5 结论

XL6009芯片其本质更像是一个单端接地、自带PWM波驱动的MOS管，所以它能够组成许多经典拓扑结构。不仅仅可以用来组成典型应用的Boost电路，通过研究不同的开关电源电路拓扑结构，XL6009可以应用于许多电路中，若该电路拓扑结构的开关管单端接地，XL6009便能够发挥一个类似于自带脉宽调制的MOS管使用。

在XL系列的芯片中，许多芯片与XL6009类似，甚至完全可以视为一个能自动调制驱动脉宽的MOS管，比如：XL4015是与XL6009相反的一款降压型芯片。XL4015与XL6009不同之处在于XL4015内部MOS管单端接电源输入。所以对于XL6009这类芯片更应该将其视作为一个MOS管模块，只需要电路结构中的开关管与芯片中的MOS管接法类型相同，即可简单高效地应用，并且能够达到极好的效果。