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如果你不赞同我的观点, 就当我说说图一乐, 有错误欢迎留言指出.

项目简介

本模块为一个简单的开关电源模块, 通过XL6019开关芯片(开关频率约220kHz)BOOST升压电路将PD充电器诱骗输出的20V进行升压,输出

28V2A为大功率LED供电. (实际应该使用恒流驱动电路调流, 但这个工程主要是为了检测国产XL6019的性能, 故采用了调压输出)

 

设计源自工程"XL6019验证板"

 

V2.0更新内容

 

■改变了输出端电容,优化了输出纹波(自然也变贵了)

想使用原版的可以打开工程>右击版本管理,手动切换到原版(V1.0)

 

项目内容

原理图

整个电路由功率升压电路与输出电压反馈电路组成,正常状况下以恒压输出的方式工作.

,通过改变反馈电路中的连接V_out的分压电阻(滑动变阻器R3)的阻值可以调节V_out电压

 

设计思路(BOOST设计通用)

想要使用德州仪器全家桶设计电源可以访问这个网站https://webench.ti.com/power-designer/ 确定设计方案

图1, 德州仪器WBENCH页面, 左边为DC-DC电源, 右边为AC-DC电源, 直流升降压选左边.

然后对着datasheet一顿狂抄, 各种神奇物料堆满, 即可满足你的大部分需要

 

但是由于经费问题, 我选择了便宜(相对德州仪器同级别电源IC)但是说明书比较简陋(十分简陋的我不敢用, 毕竟电源求稳不求新)的XL6019作为升压IC.

 

XL芯片特点是外围简洁电路容易设计, XL6019开关频率为220kHz, 在XL全家桶中算是大电流(>=4A)IC中开关频率比较高的选择, 对于对于本应用具有很好的适应.

 

1. 确定开关频率 

 

XL6019为固定频率220kHz (这个频率, 这种封装的电源芯片还真少), 这会影响到整体布局, 尤其是电感与电容的选择

 

2. 选择电感

 

可以使用这个网站https://product.tdk.com/en/search/lc_select_tool 

根据你的需要给你匹配电感值, 但该网站对中文的支持十分有限, 使用这个工具需要一点英文功底.下面是截图

图2 , BUCK(经典降压开关电源拓扑)电路设计,其中Vf 为降压电路中的二极管

这个页面点击右边的下拉菜单, 将step-down 替换为BOOST, 对于XL6019, 芯片自身相当于Vsw, 二极管相当于Vf.

电路下方要求选择原件类型, 一般没有必要选择Automotive(车规级)元件, Commercial(商用)元件质量都够用

(退烧友除外,话说真的有电感发烧友吗?).

 

看图填写相关参数后点击Search得出可以选择的电感

对于我的应用, TDK推荐的型号为 SPM10054T-330M-HZR (遗憾的是这里只有车规型号的电感可供选择)

 

接下来搜索商城, 一般能看到对应型号, 接下来使用该电感即可, 该方法能解决大部分电感选型问题.

 

在实物图中,为了"充分发挥"XL6019的输出能力, 我选用了一款更大额定电流的电感(7A额定电流), 实际根本没有必要. 在驱动LED的应用中, 这是一种资源的浪费.  

 

TDK的电感有一个缺点就是贵, 如果打算自己选择电感来解决问题, 那么请慎重考虑: 电感的选型关乎电路整体的效率于性能与稳定性, 本社区的许多设计者与许多销售制作"标准化"模块的设计者们忽视了这一点.

 

    自选功率电感指南

    1. 根据频率确定磁芯种类

    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&铁基材料以及羰基材料磁芯, 具体材料的原理十分复杂, 完整的解释需要  电动力学, 在磁化领域做出重大突破绝对可以拿Nobel Prize,

    附件中的无源器件入门pdf(copyright@taiyouyouden)  中介绍了无源器件的一些特性与值的含义.

    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

    2. 确定电感的内阻与电流参数

    对于本工程的需求, 电感平均电流约为3.5A左右(考虑整体效率约为90%), 考虑到板子散热较好, 内阻在80mOhm内比较合适.

    对于本电源的设计(220kHz), 选用铁硅铬合金作为磁芯材料, 经过咨询,

    PROD 生产的 PDMTAT 系列材质为铁硅铝, 不能用于100kHz以上的功率电路(用不了, 可惜这价格~)

    SXN 生产的 SMMS1360-330M 可以作为替代品, 价格差不多, 内阻小一些而且是一体成型.

2.选择整流二极管

   该功率级别的方案有一些使用了同步整流， 同步整流的特点优势在于使用半导体开关元件而不是二极管作为图二中的Vf开关。由于二极管导通电流要克服其PN结（肖特基二极管为金属-半导体介质结）内建电场做功，而MOSFET之类的开关元件不存在以上问题。故较大电流（>=4A）时使用同步整流效率要高。

  整流二极管通常选用一只合适的肖特基二极管，在选择合适的肖特基二极管时，要注意的参数有：

   1.反向耐压， 额定电流

   反向耐压取值为设计输出电压的1.5倍以上，额定电流要大于开关芯片工作的最大开关电流。

   本设计选择了一只反向耐压100V额定电流10A的二极管，能满足要求

 

   2.导通压降与该二极管封装下允许的最大耗散 （对电路稳定性十分重要，很多电路制作者会忽视）

    由于在该工作频率下结电容充放电引起的二极管发热可以忽略，故只讨论压降带来的发热

    产热量计算：

     1.计算 满载时IC开关的占空比 D（占空比：电路接通时间 / （电路断开时间 + 电路接通时间））

     D  =（ V_out  - V_in ）/ V_out  ~= 0.50

     2.估算最大产热功率， 公式中I_lim 为开关IC电流最大值，ΔV为二极管导通压降（下面代入我选择的型号验证）

     P >=（1- D ）* I_lim * ΔV=  （1- 0.5） *  5 * 1 = 2.5W 

     该封装的散热能达到要求。

 

--未完待续--

 

附一：

XL6019 与 TI系列竞争产品对比

首先就是规格书的区别：作为硬件工程师，对IC的了解很大程度上来自规格书，这一点国内厂商大部分都很难到达国际厂商的水平，下面左图是LM2577的规格书截图，右图是XL6019的规格书截图(右图)

附图一 左图：LM2577规格书部分截图                                                右图：XL6019规格书部分截图

虽然两张图都包含设计最大值的信息，但是至少有一点不同对我设计电源造成了很大的影响：

极限工作情况下的参数：很多时候为了节约成本，会让芯片工作在临界条件下，此时的参数对电源系统的稳定性至关重要。即使是本方案散热良好的情况下，温升也不能完全忽略。一般都要根据最糟糕的情况（如对最大温升下工作）进行设计，而如果没有给出这些参数，则可能给今后的设计带来很多问题与不必要的设计冗余。

当然规格书中其他一些问题如

1.缺少电路设计建议，尤其是无源器件（电容电感）选择指南，这对于新手设计尤为重要

2.缺少电路波形与保护机制，这增大了后期调试的难度

也同样影响设计。

其次是引脚定义的问题：

附图2： 左图：LM2577规格书截图（引脚定义部分）             右图： XL6019规格书截图（引脚定义部分）

虽然两款IC封装相同，但大面积金属片对应的引脚不同。在实际应用中，为了更好的散热与工作性能，GND网络的面积要求尽可能大，而为了减小开关损耗（尤其是频率较高时），要尽可能降低PCB中开关网络相对其他电路的寄生电容大小，这就要求SW网络的总面积尽可能小，而XL6019 Metal Tab 对应SW网络的设计既不利于PCB上大面积GND铺铜散热，也不利于减小开关损耗。

 

 

抛开规格书与引脚，让我们来看看实际情况

1. LM2577, LM2587（经典小功率非隔离集成电源芯片，国内很多厂商都有仿制，目前商城价格较高）

先说结论：在实际应用中可以大部分取代LM2577

原因：LM2577开关频率53kHz，本IC频率150kHz以上，实际应用中可以在电感体积不变甚至减少的情况下通常可以维持电路输出, 要注意的是无源器件特别是电感的规格大部分必须重新选择，工程量比较大。

2.LM2589