基于XL6009的單端初級(jí)電感(SEPIC)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在DC-DC變換器領(lǐng)域，單端初級(jí)電感變換器或SEPIC變換器是一種使用升壓型控制拓?fù)鋪砩龎夯蚪祲狠斎腚妷旱淖儞Q器。看完這篇文章，你腦海中浮現(xiàn)的第一個(gè)問題是，它像一個(gè)被美化的經(jīng)典Buck-Boost轉(zhuǎn)換器嗎?答案是肯定的和否定的。經(jīng)典的buck-boost轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)電感器和兩個(gè)開關(guān)組成，這增加了成本，因此為了降低成本，使用了一種更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即反相buck-boost轉(zhuǎn)換器。我們?cè)谥暗囊黄恼轮杏懻撨^這個(gè)問題。在反相降壓升壓變換器中，反相降壓升壓變換器的輸出極性與輸入極性相反。特定轉(zhuǎn)換器通過引入耦合電感來解決這些問題，從而降低了總體成本，并且在實(shí)際電路板中占用的空間也更小。

因此，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建和測(cè)試基于流行的XL6009 IC構(gòu)建的簡(jiǎn)化Sepic轉(zhuǎn)換器。我們以前使用該XL6009 IC來設(shè)計(jì)移動(dòng)電源和可調(diào)降壓穩(wěn)壓器(3.3V至12V)，如果您感興趣，您也可以查看它們。

SEPIC變換器(單端主電感變換器)的工作原理

下面的原理圖是SEPIC轉(zhuǎn)換器的基本原理圖，在本文中，我們將使用它來解釋工作原理。

SEPIC轉(zhuǎn)換器是一種降壓升壓拓?fù)?，不像?jīng)典的降壓升壓是一種反相拓?fù)洹EPIC變換器的特點(diǎn)是使用兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，另一個(gè)連接到地，這兩個(gè)電感通過耦合電容連接，當(dāng)施加開關(guān)信號(hào)時(shí)，有效地使L1和L2并聯(lián)。

現(xiàn)在，為了了解SEPIC轉(zhuǎn)換器的工作原理，我們修改了基本電路并從圖片中刪除了控制器。正如你所看到的，當(dāng)電源被應(yīng)用到電路中，在那短暫的時(shí)刻，開關(guān)打開，電容器C2開始通過電感L1充電?，F(xiàn)在，當(dāng)控制器IC打開時(shí)，它打開開關(guān)。

現(xiàn)在，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，兩件事同時(shí)發(fā)生，首先電感器L1和L2同時(shí)開始充電。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，由于XL6009 IC內(nèi)部電路產(chǎn)生的PWM脈沖，開關(guān)被打開。

現(xiàn)在，當(dāng)開關(guān)再次關(guān)閉時(shí)，電感改變其極性并通過二極管放電，此時(shí)，輸出電容C3保持電荷。根據(jù)PWM信號(hào)和反饋，現(xiàn)在我們可以以非常穩(wěn)定的方式改變輸出電壓。這是SEPIC轉(zhuǎn)換器如何工作的一個(gè)非常基本的解釋。

現(xiàn)在，如果你想知道L1在這個(gè)原理圖中的用途是什么?現(xiàn)在，仔細(xì)看一下原理圖：你在電路圖上看到的電感是一個(gè)耦合電感，這意味著兩個(gè)繞組連接在一個(gè)單芯中。這樣做是為了減少瞬態(tài)。因此，設(shè)計(jì)單獨(dú)電感的問題之一是兩個(gè)電感，L1和L2與電容串聯(lián)形成諧振電路，正如我們從電路理論中所知，對(duì)于LC電路中的階躍響應(yīng)，輸入電壓可以上升兩倍于輸入電壓，因此可能會(huì)損壞敏感的實(shí)驗(yàn)室電源。因此，最小化問題的方法是使用帶有耦合電感的SEPIC。當(dāng)我們這樣做時(shí)，能量被SEPIC耦合電容器耦合。沒有耦合電容，該電路將作為反激變換器工作。耦合電容短路任何泄漏電壓，并允許電路更有效地工作。在這些類型的耦合電感變換器中，兩個(gè)電感應(yīng)該具有相同的值，這就是我們需要構(gòu)建電感的原因。

構(gòu)建SEPIC轉(zhuǎn)換器所需的組件

下面列出了構(gòu)建基于SEPIC降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的XL6009升壓轉(zhuǎn)換器IC所需的組件。在這個(gè)項(xiàng)目中使用的組件是非常通用的，你可以在你當(dāng)?shù)氐膼酆蒙痰暾业剿麄冎械拇蠖鄶?shù)。

?XL6009 IC - 1

?470uF，63V電容- 1

?220uF，63V電容- 1

?22uF，63V電容- 1

?1uF，50V SMD 0805電容器- 2

?MBR20100CT二極管- 1

?10K電阻- 1

?10K電位器- 1

?螺釘端子- 2

?47uH耦合電感- 1

?跳線- 1

?護(hù)墻板- 1

基于XL6009的SEPIC轉(zhuǎn)換器原理圖

基于XL6009的SEPIC轉(zhuǎn)換器的完整原理圖如下所示。

這個(gè)電路的工作原理很簡(jiǎn)單。首先，我們有直接連接到IC的輸入VCC引腳的輸入存儲(chǔ)電容。接下來，我們有耦合電容，在Xl6009數(shù)據(jù)表的圖6示例原理圖中建議使用47uH 4A耦合電感器。耦合電感可以是任意類型;它可以是一個(gè)耦合變壓器，或者在我的情況下，它是一個(gè)環(huán)形線軸，我們已經(jīng)從一個(gè)舊的不工作的ATX電源紊亂。輸出二極管是一個(gè)8A和100V的MUR810二極管。接下來，我們有一個(gè)反饋電路，由一個(gè)10K電阻和一個(gè)10K電位器組成。最后，我們有存儲(chǔ)輸出電壓的輸出電容。一旦我們完成了焊接過程，電路板看起來像下圖所示。

基于XL6009的SEPIC轉(zhuǎn)換器的PCB

我們的SEPIC Buck-Boost轉(zhuǎn)換器電路的PCB設(shè)計(jì)在單面板上。我用Eagle來設(shè)計(jì)我的PCB，但你可以使用任何你選擇的PCB設(shè)計(jì)軟件。Eagle生成的PCB頂部和底部的二維圖像如下所示。

正如您在PCB的左側(cè)所看到的，我們有輸入電源連接器，在右下角，我們有輸出連接器。我們?cè)隈詈想姼械闹虚g使用了一個(gè)電容，因?yàn)榘阉旁谀抢锖芊奖悖琍CB上的電容C3就是我們?cè)诨驹韴D中展示的電容C2。這個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器的主要驅(qū)動(dòng)程序是XL6009 IC，它在PCB的底部。因?yàn)樗且粋€(gè)SMD組件，我們必須把它放在底部。我們采用了較厚的接地面，以確保有足夠的電流通過。完整的設(shè)計(jì)文件以及TL494升壓轉(zhuǎn)換器原理圖可以從下面的鏈接下載。

手工制作的電路板:

為了方便，我準(zhǔn)備了我手工制作的PCB版本，如下所示。我在制作這個(gè)PCB時(shí)犯了一些錯(cuò)誤，所以我不得不使用一些銅線作為跳線來修復(fù)它。

基于XL6009的SEPIC降壓轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試

注意：當(dāng)?shù)谝淮螢檫@個(gè)電路供電時(shí)，一定要使用恒流電源來限制電流，或者你可以使用一堆功率電阻來限制電流。如果在焊接過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，XL6009可能會(huì)燒壞。

如您所見，上面的測(cè)試設(shè)置是用來測(cè)試電路的。一個(gè)ATX PC，電源是用來給電路供電的，這就是為什么輸入電壓保持在12V。您還可以看到電路目前在升壓模式下運(yùn)行，因此在這種情況下輸出保持在43.26V伏，并且我已將2.2K 1W電阻的最小負(fù)載附加到電路上，并且它正在繪制大約0.02 a的電流。

上圖顯示，該電路在最小負(fù)載條件下可以達(dá)到2.5V的最小電壓。

由于我只有兩個(gè)萬用表，我使用了mecho 450B+萬用表來顯示輸出電壓，我使用了mecho 108B+萬用表來測(cè)量輸出電流。

在上圖中，SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓保持為43.28V，這意味著輸出電流也保持不變。但在MECHO 108B+萬用表中，您可以看到電流已上升到。223 a或223 mA。這是因?yàn)樵谏蠄D中，MECHO 108B+萬用表顯示輸入電流，當(dāng)我用ATX電源為電路供電時(shí)，輸入電壓保持在12V。

現(xiàn)在，對(duì)于低電壓范圍內(nèi)的效率，我能夠得到大約68%的效率但是在高電壓范圍內(nèi)，效率下降到大約40%。這種情況的發(fā)生僅僅是因?yàn)殡姼匈|(zhì)量差。所以，電感器的質(zhì)量必須非常好。EE核將比環(huán)形核做得更好。

進(jìn)一步增強(qiáng)

此SEPIC降壓升壓轉(zhuǎn)換電路僅用于演示目的，因此，在電路的輸出部分不添加保護(hù)電路。

?必須加一個(gè)輸出保護(hù)電路來保護(hù)負(fù)載電路。

?電感器需要浸入清漆中，否則會(huì)產(chǎn)生可聽到的噪音。

?一個(gè)高質(zhì)量的PCB與適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)是強(qiáng)制性的

?可以修改開關(guān)晶體管以增加負(fù)載電流。

?電感器的質(zhì)量必須很好。

為了獲得電路的最大效率，電感應(yīng)該能夠處理XL6009數(shù)據(jù)表中定義的4A的最大電流。

本文編譯自circuitdigest