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

1 引言

開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)是由開關(guān)管和控制開關(guān)管的脈沖發(fā)生器構(gòu)成，即：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡稱：PWM）。由于開關(guān)電源相比于線性電源具有效率高，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、降壓及升降壓開關(guān)電源電路，也有專用集成開關(guān)電源芯片。這些芯片集成了開關(guān)管和脈寬調(diào)制電路。開關(guān)電源芯片的開關(guān)管可由三極管和功率場效應(yīng)管構(gòu)成，而因為開關(guān)管的類型不同，構(gòu)成的開關(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)達到國際先進水平。但其市場價格并不高，零售價在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。通過對本芯片的使用，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)分析組成其他拓撲結(jié)構(gòu)的開關(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，400KHZ開關(guān)頻率，采用MOSFET做開關(guān)管，效率達到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波信號調(diào)制器以及功率場效應(yīng)管驅(qū)動電路，集成1.25V基準源，用于與反饋腳（FB）輸入電壓進行誤差比較放大，從而改變脈沖寬度，進一步調(diào)整輸出。自帶使能端，做到一鍵開啟和關(guān)閉。內(nèi)置器件保護，包括熱關(guān)斷、過流保護、輸出短路保護等，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)用是通過連接少量的外圍元件構(gòu)成Boost拓撲結(jié)構(gòu)達到升壓效果。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。當且僅當使能端 CR為高電平時，該電路能正常工作。SW作為開關(guān)管輸出端，輸出電壓給負載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升壓變換器簡化電路，如圖3所示。

圖2 XL6009升壓電路圖

圖3 XL6009升壓電路簡化圖

由圖3可知，經(jīng)過簡化后，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，使其開關(guān)速度更快。當開關(guān)管T管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，整流管VD截止，電流方向從左到右給電感L1充電，此時只有電容C1給負載R供電；當開關(guān)管處于截止狀態(tài)時，整流管VD導(dǎo)通，根據(jù)電感的電流特性可知此時的電感L1電流方向不變，所以電感L1右側(cè)電勢更高使得極性相反[2]，通過整流管VD給負載供電并給電容C1充電，達到升壓效果，此時輸出電壓：

由于XL6009內(nèi)部自帶1.25V基準，與反饋腳FB進行差分放大比較，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，于是輸出電壓表達式如式（1）：

在使用圖1所示的升壓變換器電路時，結(jié)合Boost升壓應(yīng)當關(guān)注的問題，有以下注意事項：由Boost升壓條件可知，電感L1不能太小，否則造成磁飽和導(dǎo)致開關(guān)管T燒毀；反饋FB的信號應(yīng)當要短并且需要遠離開關(guān)管和電感；在進行PCB設(shè)計時，需將電感、整流管連接的線路加粗，方便大電流流過。

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號腳（SW）是一個具有PWM波驅(qū)動的MOS管串聯(lián)采樣電阻接地。分析時，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。于是芯片其實可以直接等價為一個自帶PWM波驅(qū)動的MOS管，只是源極接地，只將MOS管的一端引出作為引腳輸出。于是通過這種等效，可組成以下不同的電路。

3.1 Sepic拓撲結(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，但電路的拓撲結(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簡化出其對應(yīng)的簡化電路圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)圖5，可知經(jīng)過簡化的XL6009的升降壓電路即為Sepic斬波電路（即：單端一次側(cè)電感式變換器）。由兩只電感，兩只電容，一只開關(guān)管和整流管組成。同樣整流管VD需為肖特基二極管，達到快速開關(guān)的效果。

圖5 XL6009組成Sepic升降壓電路簡化圖

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

電感L1和開關(guān)管T的組合類似于升壓變換，而電感L2和整流管VD的作用類似于反激式降壓/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，重要的是它類似于一個“能量傳送帶”，當開關(guān)管截止時，電容C1開始充電；當開關(guān)管導(dǎo)通時，將能量傳遞給電感L2。根據(jù)Sepic電路輸出電壓計算表達式如式（1）：

其中α表示所調(diào)制的PWM波能使開關(guān)管T導(dǎo)通的時間。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，通過差分放大得到的反饋電壓與內(nèi)部基準源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，表達式如式（2）：

在進行如圖4所示XL6009芯片的升降壓電路應(yīng)用時，需有以下注意事項：選取電感需關(guān)注其時間常數(shù)需要遠大于開關(guān)周期，所以L1不可太小，在開關(guān)管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時，太小會造成磁飽和；由于電容C1完成Sepic電路很重要的作用是進行儲能，所以其值不可過小，過小會造成難以穩(wěn)定負載兩端電壓穩(wěn)定；在進行電路的PCB布局設(shè)計時，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，這樣對外產(chǎn)生的干擾會更??；反饋先要遠離高頻回路，否則會造成極大的干擾，難以穩(wěn)定輸出。

3.2 Cuk拓撲結(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；輸出電壓與輸入電壓的極性相反。Cuk變換器相當于Boost電路和Buck電路合并開關(guān)管后串聯(lián)構(gòu)成，這種拓撲結(jié)構(gòu)能提供一個反極性、不隔離的輸出電壓。[4]根據(jù)Cuk的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了如圖6所示的XL6009構(gòu)成Cuk升降壓電路。其中L1、L2為儲能電感，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)過與以上電路的分析方法一樣，簡化后的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)此時的簡化電路就是一個典型的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升降壓電路簡化圖

當開關(guān)管T截止時，整流管VD處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時電路有兩條回路：L1存儲的能量轉(zhuǎn)移給C1，此時電容C1開始存儲能量，電容兩端電勢為左高右低；另一條回路由電感L2的存儲的能量以電流形式表現(xiàn)流過整流管在負載R上消耗，負載R的電流和電容C1的充電電流同時流經(jīng)整流管VD。當開關(guān)管T處于導(dǎo)通狀態(tài)時，整流管VD受反壓截止，此時電路仍然有兩條回路：電容C1釋放的能量通過開關(guān)管轉(zhuǎn)移到電容C2、負載R和電感L2兩端，所以電感L2兩端電勢左低右高；電感L1的充電電流通過開關(guān)管為電感L1存儲了來自電源的能量，負載上的電流和電感L1的充電電流同時流過開關(guān)管T。所以每一次開關(guān)管T和整流管VD交替導(dǎo)通時，流過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，而每次流過負載的電流的方向總是由下往上，所以VOUT+的電勢低于VOUT-的電勢，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的作用時間比例有關(guān)，即與開關(guān)管的導(dǎo)通時間有關(guān)。輸出電壓為：

δ為開關(guān)管T的導(dǎo)通時間。所以輸出電壓與開關(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)來源于反饋端FB的電壓與內(nèi)部基準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)分壓電阻計算輸出電壓，其表達式如式（3）：

在進行如圖6所示XL6009芯片的升降壓電路應(yīng)用時，需有以下注意事項：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，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，作用是進行儲能，所以其值不可過??；由于XL6009內(nèi)部開關(guān)頻率400KHZ，所以對于電感選取方便了，但是要求整流管的開關(guān)速度應(yīng)當盡量快，否則很難達到預(yù)想的效果。

3.3 應(yīng)用實例

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較大，特別是當鋰電池電量不足時，輸出電壓會降低。如果直接用于電路供電，一些精密儀器可能會由于供電電壓不穩(wěn)定對系統(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)定輸出在某一個電壓上。但在使用中，多數(shù)設(shè)計者會將使能端接到輸入，使其完全工作。但造成的問題是無法得知鋰電池的狀態(tài)，可能會導(dǎo)致鋰電池過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設(shè)定的警惕值時，則比較器輸出信號為低電平并接入到使能端，使XL6009完全關(guān)閉，輸出電壓為0；僅當鋰電池輸出電壓高于警惕值時，比較器輸出高電平，使XL6009正常工作，輸出負載系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定供電電壓，使得負載系統(tǒng)工作正常。而且值得一提的是使用該電路的成本極低，卻可以通過供電穩(wěn)定保護價格高昂的負載。

圖8 單門限比較器

4 同類型升壓型芯片比較

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芯片類似，只是因為XL升壓系列芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)類似。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、開關(guān)頻率和基本性能簡單比較如表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)更像是一個單端接地、自帶PWM波驅(qū)動的MOS管，所以它能夠組成許多經(jīng)典拓撲結(jié)構(gòu)。不僅僅可以用來組成典型應(yīng)用的Boost電路，通過研究不同的開關(guān)電源電路拓撲結(jié)構(gòu)，XL6009可以應(yīng)用于許多電路中，若該電路拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)管單端接地，XL6009便能夠發(fā)揮一個類似于自帶脈寬調(diào)制的MOS管使用。

在XL系列的芯片中，許多芯片與XL6009類似，甚至完全可以視為一個能自動調(diào)制驅(qū)動脈寬的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。所以對于XL6009這類芯片更應(yīng)該將其視作為一個MOS管模塊，只需要電路結(jié)構(gòu)中的開關(guān)管與芯片中的MOS管接法類型相同，即可簡單高效地應(yīng)用，并且能夠達到極好的效果。

6 結(jié)束語

當今社會，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，當下，電源芯片的發(fā)展制造正飛速前進，將來在許多電子設(shè)備上都將能看見它們的身影，一款好的電源芯片甚至將能決定一臺精密電子設(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.