基于XL6009開關電源系統開發

成都信息工程大學通信工程學院 占佳鋒 馬穎婷 王海時

1 引言

開關電源是通過控制開關管導通和關斷的時間比例，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源的一般結構是由開關管和控制開關管的脈沖發生器構成，即：脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，簡稱：PWM）。由于開關電源相比于線性電源具有效率高，功耗小、體積小、重量輕等優良特性，所以被廣泛用于軍工設備、通訊設備、醫療設備、安防監控、數碼產品和儀器儀表等鄰域。

目前，有分立元件搭建而成的升壓、降壓及升降壓開關電源電路，也有專用集成開關電源芯片。這些芯片集成了開關管和脈寬調制電路。開關電源芯片的開關管可由三極管和功率場效應管構成，而因為開關管的類型不同，構成的開關電源電路所能提供的電流及功率也各不相同。XL6009是上海芯龍半導體有限公司的產品，是其公司在國際領先的升壓芯片，在升壓大電流領域技術已經達到國際先進水平。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，發現其應用方式不只是應于升壓，也可以由其內部結構分析組成其他拓撲結構的開關電源電路。

2 XL6009的介紹及其經典應用電路

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開關頻率，采用MOSFET做開關管，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腳為開關輸出腳（SW），4腳為輸入腳（VIN），5腳為反饋腳（FB）。內部集成400KHZ的PWM波信號調制器以及功率場效應管驅動電路，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，進一步調整輸出。自帶使能端，做到一鍵開啟和關閉。內置器件保護，包括熱關斷、過流保護、輸出短路保護等，其內部結構如圖1[1]所示。

圖1 XL6009內部結構

2.2 典型升壓電路

XL6009芯片的典型應用是通過連接少量的外圍元件構成Boost拓撲結構達到升壓效果。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作為開關管輸出端，輸出電壓給負載R供電，結合XL6009內部結構如圖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，經過簡化后，XL6009的升壓電路直接轉化為經典的Boost升壓電路。所以，根據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，使其開關速度更快。當開關管T管處于導通狀態時，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；當開關管處于截止狀態時，整流管VD導通，根據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內部自帶1.25V基準，與反饋腳FB進行差分放大比較，調整內部脈沖寬度，穩定輸出電壓，所以輸出電壓與電阻R1和電阻R2有關。根據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，結合Boost升壓應當關注的問題，有以下注意事項：由Boost升壓條件可知，電感L1不能太小，否則造成磁飽和導致開關管T燒毀；反饋FB的信號應當要短并且需要遠離開關管和電感；在進行PCB設計時，需將電感、整流管連接的線路加粗，方便大電流流過。

3 XL6009芯片的拓展應用

根據其內部結構如圖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波驅動的MOS管串聯采樣電阻接地。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拓撲結構升降壓電路

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，但電路的拓撲結構卻變得完全不一樣，與Boost升壓電路分析方式一樣，結合外圍元件和芯片內部結構，可將圖4簡化出其對應的簡化電路圖結構如圖5所示。根據圖5，可知經過簡化的XL6009的升降壓電路即為Sepic斬波電路（即：單端一次側電感式變換器）。由兩只電感，兩只電容，一只開關管和整流管組成。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”，當開關管截止時，電容C1開始充電；當開關管導通時，將能量傳遞給電感L2。根據Sepic電路輸出電壓計算表達式如式（1）：

其中α表示所調制的PWM波能使開關管T導通的時間。所以輸出電壓與輸入電壓的極性相同并且脈沖寬度有關，而XL6009芯片內部集成PWM發生器，通過差分放大得到的反饋電壓與內部基準源1.25V比較，從而改變脈沖寬度，即可調整輸出。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用時，需有以下注意事項：選取電感需關注其時間常數需要遠大于開關周期，所以L1不可太小，在開關管T處于導通狀態時，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，過小會造成難以穩定負載兩端電壓穩定；在進行電路的PCB布局設計時，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，這樣對外產生的干擾會更小；反饋先要遠離高頻回路，否則會造成極大的干擾，難以穩定輸出。

3.2 Cuk拓撲結構升降壓電路

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電路合并開關管后串聯構成，這種拓撲結構能提供一個反極性、不隔離的輸出電壓。[4]根據Cuk的拓撲結構，設計出了如圖6所示的XL6009構成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電阻用與調整輸出電壓。經過與以上電路的分析方法一樣，簡化后的電路結構如圖7所示。可以發現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

當開關管T截止時，整流管VD處于導通狀態，此時電路有兩條回路：L1存儲的能量轉移給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整流管VD。當開關管T處于導通狀態時，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管轉移到電容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管T。所以每一次開關管T和整流管VD交替導通時，流過的電流都是兩條支路電流之和。根據以上分析可知，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，即與開關管的導通時間有關。輸出電壓為：

δ為開關管T的導通時間。所以輸出電壓與開關管T所調制的脈寬有關，而脈沖寬度的調整依據來源于反饋端FB的電壓與內部基準的差分放大所得的結果，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XL6009內部集成1.25V基準源，根據差分特性，直接等效反饋端FB的電壓為1.25V，根據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，所以其值不可過小；由于XL6009內部開關頻率400KHZ，所以對于電感選取方便了，但是要求整流管的開關速度應當盡量快，否則很難達到預想的效果。

3.3 應用實例

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定對系統造成不可逆影響。若應用如圖4所示的升降壓電路，使其處于恒壓工作模式，可將輸出電壓穩定輸出在某一個電壓上。但在使用中，多數設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，可能會導致鋰電池過放而影響鋰電池后續使用甚至損壞。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過同相單限比較器，如圖8所示。在比較器反相端調整閾值至某一警惕值。如果鋰電池電量不足到達設定的警惕值時，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，輸出負載系統所需要的穩定供電電壓，使得負載系統工作正常。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芯片是芯龍半導體公司XL產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升壓系列芯片內部電路結構類似。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

5 結論

XL6009芯片其本質更像是一個單端接地、自帶PWM波驅動的MOS管，所以它能夠組成許多經典拓撲結構。不僅僅可以用來組成典型應用的Boost電路，通過研究不同的開關電源電路拓撲結構，XL6009可以應用于許多電路中，若該電路拓撲結構的開關管單端接地，XL6009便能夠發揮一個類似于自帶脈寬調制的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制驅動脈寬的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內部MOS管單端接電源輸入。所以對于XL6009這類芯片更應該將其視作為一個MOS管模塊，只需要電路結構中的開關管與芯片中的MOS管接法類型相同，即可簡單高效地應用，并且能夠達到極好的效果。

6 結束語

當今社會，電力電子技術飛速發展，如今電力的轉換效率尤為被重視。而所有電子設備的基礎在于電源管理，當下，電源芯片的發展制造正飛速前進，將來在許多電子設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.模擬電子技術基礎(第1版)[M].北京：高等教育出版社,2012：253-254.

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

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