项目背景简介

SEPIC电路是一个可以升降压的电路，本工程使用国产芯片XL6019从设计到耦合电感制作DIY了一款升降压电源模块，设计工作输入电压5~36V，输出1.5-40V连续可调。

设计最大脉动(<3S)输入电流3.5A，实测接近理论值（3.1A，V2.0版本，下图为实物正反面图）

上图：V2.0版本模块的正反面实物图，每张图片中由上到下依次是：使用罐型磁芯的模块，使用开关电源拆机变压器的模块，拆机变压器因体积过大焊在了板的反面

中文版调压 电路搭建计算与SEPIC电路原理推演+参数选择 的文档已经上传到附件"电路计算与设计辅助文档.pdf"中,需要深度定制可以自行查看.

该项目将不断维护更新，直到为大家带来一款低成本便携可靠容易制作的电源模块。

 

何为SEPIC? SEPIC有何能力？

SEPIC 是单端初级电感式变换器的缩写，英文全称：

Single-Ended Primary Inductor Converter

SEPIC电路无论输入端电压如何，输出端电压全范围可调。

SEPIC相比同等功率级别的反激式开关电源，通常能够在相同的开关电流限制内输出更大功率，即是电路实现全电压可调输出的一种最简单的方法。

 

方案对比 （SEPIC VS BOOST）

图中SEPIC变压器磁芯焊接在板的后边，实际磁芯体积相近，SEPIC磁芯体积还要稍大一些

上图： 左： XL6019 BOOST评估板，右：XL6019 SEPIC评估板， 两款方案设计功率相同

对BOOST（仅升压方案）感兴趣的可以参考我的BOOST评估板https://oshwhub.com/little_grasshopper/xl6019-copy

该版本基本复制了官方方案，方案使用铝基板（当然也可以配置成其他的板子），在持续高负荷工作场景中比较给力。

 

相比BOOST，SEPIC元件数比较多，制作起来相对复杂，但其具有全输出电压可调，不局限于输出>输入。

 

!   SEPIC电路使用时，请确保   输入电压+输出电压 < 开关电源耐压值 ，实际应用中建议留5-10V余量， 例如输入电压为20V，输出电压不要超过（60 - 20 - 5）即35V，否则IC可能会因为电压过高而损坏！

 

PCB版本说明

由于目前方案性价比还不够高，接下来会出一款具有更高性价比的电源方案，欢迎各位评论催更

V1.0版本为已验证版，设计输出电流2A，瞬时最大输出电流4A，实测可以达到设计值，V1.0持续大电流输出（>2A）时纹波爆炸(>100Vpp)

为了解决这一难题，就有了V2.0版（大输出电容+LC滤波）

版本对比:

V1.0版本主要为贴片原件, 手残党焊上后效果如图😅

 

V2.0 已验证, 实测输入功率能够达到12V@42W,10V@40W,具体输出性能。

V2.0实物正面细节，板阻焊颜色为白色，可放大查看

 

工作性能展示

持久性测试:

经过测试,在自然散热,通风良好的情况下,模块可以在下面的测试条件下连续工作10分钟不出现异常.

温升性能(数据在输入电压为12V,输出为30V恒压下测量)

12V转20V-24V应用中,输出功率尽量不要超过25W以获取最佳性能.

芯片温度限制约为表面温度100±10℃

热成像图:(模块总功率约23W)

加上一个适当大小的铝散热器后输入总功率可进一步提升(详情见视频)

 

纹波性能

V2.0理论上满载输出电压纹波<100mVpp，实际由于没有高精度示波器暂时无法评测，有兴趣评测的可以回复索要样品。

V2.0版本减小了体积,加上充足的散热与合适的外壳,很容易即能DIY一款车充.

 

补充说明:

V2.0封面图所使用的磁芯为型号为GU22的罐型磁芯,重约14g,购买自拼夕夕，目前售价为十块五套,平均每套两元(量产的可以准备了),注意自己购买全新的磁芯要打磨气隙.

为了提高大功率下持续运行的稳定性,建议采购体积比最小值稍大一些的磁芯.

v2.0版本除了三四个阻容基本为直插原件, DIY制作容易的多.

 

以上性能测试即测试视频中所有数据均使用了严格按照下文进行处理的磁性元件与其他器件，如果使用参数或设计规格不合理的元件，模块的性能会大大降低甚至故障烧毁。

 

 

制作时的省钱💰指南

开关电源的设计对无源器件要求很高，如果你不会具体计算所需容值与纹波、ESR，强烈建议你不要替换其中的电解电容物料

当然，如果你有(或者海鲜市场有)很多高质量的闲置电容,该项目将非常适合你!

此外,如果设计输入与输出电流均达不到2A，那么在V2.0设计中确实可以减少一些电容以节约成本，具体的解决方案：

    输入滤波电容减少到1个或舍去

    中间电容（连接SW网络）减少到1个

    输出滤波电容减少到1个

    LC滤波电容不变

上图：电路性能要求不高的情况下可以减少的电容（用×标出）

如果你对爆炸的输出纹波的尖峰没有要求（>250mVpp）那么可以省去LC滤波器以节约成本

不得不说，SEPIC 想要做大功率那就得消耗许多高质量电容，V1.0版本和V2.0版本的主要开销就是巨多的高纹波低ESR电解电容，想要达到大输出电流+低纹波，SEPIC是目前同等功率级别中消耗电容最多的拓扑（以后可以尝试Cuk）

由于设计输出电压为0-40V连续可调，电容耐压选择了50V，如果你只是想DIY笔记本电脑充电器一类的产品，强烈建议将50V耐压输出电容换成以下25V耐压（同等大小容值可达470uf，V_OUT网络电容数量可以减半）商城货号：C248453

 

耦合变压器/电感的制作

制作变压器分为4步
■ 0. 选择磁芯材料.
■ 1. 绕制初次绕组.
■ 2. 绕制二次绕组.
■ 3. 组装并焊接到PCB.

磁芯材料选择：

1.根据开关频率确定磁芯种类与形状（开关频率范围一般取电源IC的工作频率范围）
    市面上功率电感主要可以分为4类: 铁粉芯, 铁硅铝合金磁芯, 铁硅铬合金磁芯&铁基材料&铁氧体以及羰基材料磁芯
    铁粉芯适用于50kHz以下的开关频率
    铁硅铝合金磁芯适用于100kHz以下的开关频率
    铁硅铬合金磁芯等适用于更高的开关频率
    如果材质是锰锌铁氧体或镍锌铁氧体，建议不要选用一般铁氧体磁环，因为一般铁氧体磁环难以打磨气隙，使用时容易过快饱和损坏开关电源其他部件。

上图：罐型变压器与磁环的性能比较
    由于开关频率约为200kHz，锰锌铁氧体选用PC40规格即可，没有必要选用PC95

上图：本应用中两种磁芯材料性能与开销的比较
    铁硅铬合金粉末磁芯可以使用磁环，因为使用合金粉末压合时材料内部自带气隙。

 

2.根据电感量与电流确定磁芯大小
    先确定磁芯体积大小，根据磁芯的能量公式

    E = Ve × 0.5 × k × Bs × Bs ÷ μ = 0.5 × L × I × I （该公式的推导见附件电感能量推导）
    即磁芯有效体积Ve ≧ L × I × I ÷ （μ × k × Bs × Bs）
    此式对于分立元件的SEPIC中的每个磁性元件都成立，对于单个耦合电感取值也成立
    μ为介质磁导率，k为一个无量纲系数（纯数字），k大小由项目极限值要求与磁材饱和特性决定，初次尝试可以取0.1~0.5,
    I通常取开关饱和电流的1.25倍，以XL6019为例，I取1.25 × 5 = 6.25A
    对于本项目选用PC40磁芯(磁导率约为2300),项目中k暂取0.5
    Ve ≧ 20E-6 × 6.25 × 6.25 ÷（2300 × 0.5 × 0.39 × 0.39）= 4.5E-6 m^3 = 4.5 cm^3
    项目V1.0选用的磁芯为拆机PQ2620, 这个型号在TB上可以搜到，也可以搜到PQ2020等一系列磁芯。PQ2620的有效体积为5.4cm^3,能够满足要求，并且有一定富余。

    实际规模化生产中，通过不断调试，可以将磁芯体积进一步减小，理论上k取1，即磁芯有效体积Ae = 2.25cm^3 接近设计的极限，大家可以进行有关尝试,如使用PQ2020甚至PQ2016。

     项目V2.0(封面图)使用的磁芯Ve约为2cm^3,已经很极限,不建议再减小了.

上图：V2.0版本使用的GU22磁芯，右边是与USB-A接口大小的对比，该磁芯也推荐V1.0的DIY爱好者使用。

    为了节省铜线，如果是购买全新的磁芯/磁环，建议选用有效截面积较大的产品，具体计算就不详述了。

 

耦合变压器绕制过程(使用拆机变压器，罐型磁芯类似，见下图,从左到右依次为:初级绕组绕制,次级绕组绕制,成品焊接)

           

绕制前注意事项：
    我使用的线材为直径ф=0.5mm的漆包铜线，两组并绕（照片中是三组并绕，消耗铜线较多，实际两组并绕就够了）
    两组绕制匝数相等, 绕制匝数可用如下经验公式计算：匝数 N = 2 × √(L ÷ AL) ；公式中L为电感量的最小值，计算时单位取nH(1000nH = 1uH)，AL为磁材供应商提供的参数。
    例如本工程：N = 2 × √(14000 ÷ 3500(最小值)) = 2 × √4 = 2 × 2 = 4 匝
    初级次级都按N=4绕好后就可以装上磁芯测试了，由于使用的磁芯体积有富余，实测绕5匝能达到最佳输出效果，通常适量减少匝数效果更佳。

初次级绕组注意事项
    1.绕线
    SEPIC对绕组耦合与漏感的要求不高，绕制时不使用“三明治绕法”，实测初级绕组绕变压器上半部，次级绕组绕变压器下半部分即可（这对于手残党真是一个好消息呢！）
    2.刮漆
    如果使用耐高温漆包铜线绕制变压器，注意绕完务必将铜线上的漆沿各个方向都要刮掉，这是制作过程中比较繁琐的一步，但是只有全部刮掉才能保证导电能力，建议制作者自备一个边缘打磨过的coin作为刮漆工具。

    如果漆包线的材料是那种电烙铁加热就能上锡的,自然更好。
    3.焊接
    打磨好后使用电烙铁上锡，先将线头焊接在一起（油漆刮干净的话这一步会很轻松），再将焊好的线头连接到PCB上（PCB可能要多预热一段时间），注意绕组的方向。

绕组圈数调试与气隙打磨
    实际绕线中难以一次达到最佳运行效果，另外对于铁氧体磁芯，通常需要打磨一定的气隙以防止开关电源运行过程中磁芯过快饱和，因此需要对制作好的变压器进行适当的气隙打磨与绕组圈数调整。

气隙打磨

   

上图：型号为GU22的罐型磁芯打磨变压器中柱

    使用硬质磨具打磨磁芯中柱，磨掉0.1-0.2mm为宜，注意控制粉尘飞溅，打磨成品如下

   

上图：打磨之后的变压器成品，气隙在图中用方框标识出

    如果使用的磁芯是从报废的开关电源上拆出的，拆开时已有气隙，可以只对绕组圈数进行调整，经过调整，对于一般磨好气隙的反激变压器磁芯，绕制4或5圈能达到最好的效果。

 

绕制后的处理

    绕制完成后，在变压器的中心孔中插入一根大小适当的螺丝，通过螺丝螺母与垫圈将磁芯固定在散热良好的底座上，注意不要使用有磁性的螺丝螺母，最好使用尼龙螺丝螺母进行固定。

 

 

反馈电阻选择与调压

反馈网络设计图,图中 J1与R1构成一个分压网络将输出电压反馈到FB脚

XL6019控制自身PWM占空比使FB电压稳定在1.25V,由此在J1位置焊上一个可调电阻即可实现调压输出,建议的阻值范围为5k-50k(阻值越大实现的调压范围越广).

请勿让J1开路!由于电路设计的电压余量比较大,此时输出电压可达70V!高压危险!

 

在J1位置连接快充协议芯片控制端,即可将本模块配置成在任意输入电压情况下都能工作的全电压全协议快充模块

在J1位置连接MCU的DAC控制端与一个反馈电阻,即可将本模块配置成在任意输入电压情况下都能工作的全电压数控电源模块

 

J1端使用建议：

J1端使用导线连接外部滑动变阻器或外接其他元件时，为减少共模干扰对电源运行的不利影响，两端导线宜等长。如果有条件建议在导线上串一只磁环作为共模滤波器（如图）。

 

磁环做共模滤波器实例图片，滑动变阻器的导线通过此滤波器。

EN端与模块启动

EN为电源芯片开启引脚，EN高电平时芯片启动。

如果不焊接R4则接入电源自启动。

焊接R4的同时在J2连接一个10k欧左右的电阻可以实现输入端欠压保护功能。、焊接R4同时加一个上拉网络，可以实现开关机控制。

对于供电端电压不稳定（例如：光伏板、容量不大的单节蓄电池）的情况，输入端欠压保护是必须的，因为芯片没有内置欠压保护，输入电压低于启动电压值时，会出现不可控的情况（例如输入3V输出20V）。

模块启动控制调试

在J2处连接一个变阻器可以实现可调欠压保护阈值，正常工作时EN电压≧1.25V。

实际测试时在J2处焊接了一个9k欧的电阻，模块在8.8V左右临界输入下进入欠压保护状态，在9.5V左右临界输入回复正常工作。

 

其他建议

    1. 整流二极管的选择建议

     整流二极管反向耐压值（Vppm）建议选择范围为（最大输出电压 + （20V~50V）），选择反向耐压值过大的二极管会降低模块效率，对于一些EMC要求严的电路，可以在整流二极管上并联SNUB（由一个30欧左右的电阻与1nf左右的高压陶瓷电容串联而成）。

 

本设计成本还有很大优化空间，欢迎各位在留言区提出意见！

也欢迎大家打样验证，如果发现问题欢迎评论！