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XL3001,XL3003,XL3005系列降压恒流产品设计指南 V1.0

信息来源 : 网络 发布时间:2016-12-27 05:42 | 1623 次浏览

XL30XX系列降压恒流产品设计指南.PDF


XL3001,XL3003,XL3005系列快速选择表


产品型号

输入电压范围

开关电流

开关频率

输出电压

典型应用

效率(Max)

封装类型

功率
XL3001E1
8V-40V
3A
220KHz
≤39V

3串2W LED

98%
SOP8-EP
≤10W
XL3003E1
8V-36V
4A
220KHz
≤35V
6串3W LED
98%
TO252-5L
≤20W
XL3005E1
8V-36V
5A
220KHz
≤35V
8串4W LED
98%
TO263-5L
≤50W

 

XL3001,XL3003,XL3005系列典型应用电路图





XL3001,XL3003,XL3005系统应用设计

输入电容

⒈ 降压转换器的非持续输入电流会在输入电容上产生较大的纹波电流,输入电容最大RMS电流计算如下:


⒉输入电容起到储能、滤波与提供瞬态电流作用,在连续模式中,转换器的输入电流是一组占空比约为VOUT/VIN的方波。为了防止大的瞬态电压,必须采用针对最大RMS电流要求而选择低ESR(等效串联电阻)输入电容器。


▲VIN为输入电压纹波,FSW为开关频率;

⒊ 输入电容耐压按照1.5*VINMAX进行选择;

⒋在未使用陶瓷电容时,建议在输入电容上并联一个0.1uF~1uF的高频贴片陶瓷电容进行高频去耦。


CC电容

VC是芯片内部电压调节旁路电容,内部电压调节旁路电容,需要在VC与VIN之间并联1uF电容。


输出电流设计

⒈ CS为芯片内部基准误差放大器输入端,内部基准稳定在0.21V;

⒉ CS通过采样电阻检测输出电流进行调整,输出电流计算公式为:


⒊ 输出电压精度取决于芯片VCS精度与采样电阻RCS精度,选择精度更高的电阻可以获得精度更高的输出电流,RCS精度需要控制在±1%以内。

⒋ 采样电阻RCS的实际功率要大于2倍PRCS

电感选择

⒈ 电感的选择取决于VINMAX与VOUT压差、所需输出电流与芯片开关频率,电感最小值计算公式如下:


⒉ 电感饱和电流最小为1.5*IOUT;选用低直流电阻的电感可获得更高的转换效率。

续流二极管选择

⒈ 续流二极管在开关管关闭时有电流通过,形成续流通路;需要选择肖特基二极管,肖特基二极管VF值越低,转换效率越高;

⒉ 续流二极管额定电流值大于最大输出电流,正常工作时平均正向电流可计算如下:

⒊ 续流二极管反向耐压大于最高输入电压,建议预留30%以上裕量。


输出电容选择

在输出端应选择低ESR电容以减小输出纹波电压,一般来说,一旦电容ESR得到满足,电容就足以满足需求。任何电容器的ESR连同其自身容量将为系统产生一个零点,ESR值越大,零点位于的频率段越低,而陶瓷电容的零点处于一个较高的频率上,通常可以忽略,是一种上佳的选择,但与电解电容相比,大容量、高耐压陶瓷电容会体积较大,成本较高,因此使用0.1uF至1uF的陶瓷电容与低ESR电解电容结合使用是不错的选择。

输出电压纹波由下式决定:





VCOUT≥1.5*VOUT;ESR通常取值不超过0.2Ω。


PCB设计

⒈ VIN,GND,SW,VOUT+,VOUT-是大电流途径,注意走线宽度,减小寄生参数对系统性能影响;

⒉ 输入电容靠近芯片VIN与GND放置,电解电容+贴片陶瓷电容组合使用;

⒊ CS走线远离电感与肖特基等有开关信号地方,CS走线使用地线包围较佳;

⒋ 芯片、电感、肖特基为主要发热器件,注意PCB热量均匀分配,避免局部温升高。


设计实例

系统输入输出规格参数

⒈ 输入电压:VIN=20~28V,典型值24V;

⒉ 输出电压:VOUT=12.8V;

⒊ 输出电流:IOUT=1.5A;

⒋ 输出纹波电压:VRIPLE=0.5%*VOUT


芯片选择:
P=VOUT*IOUT =12.8*1.5=19.2W,故选用XL3003。


计算输入电容:


  CIN选择容量大于22uF,IRMS电流大于750mA,VCIN耐压大于42V的电容。


CC电容选择:

选择CC电容容量为1uF,耐压50V。


计算采样电阻:





可以选择3个0.43Ω电阻并联,考虑到功率,可以使用1206封装。


选择电感:


电感最小饱和电流=1.5*1.5=2.25A。选择电感量100uH,饱和电流3A。


续流二极管选择:

二极管工作时最大正向平均电流产生于最大输入电压时:


选择反向耐压40V,电流能力大于2A的肖特基二极管。


选择输出电容:


选择输出电容ESR<0.2026Ω(通常取0.2Ω以下),耐压大于19.2V,IRMS电流大于95mA。


常见问题与解决方案

Q1.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片输入正负极接反芯片损坏

解决方案:添加防反接电路(下图蓝色虚线框中电路)。

Q1:VDS≥1.5*VINMAX

DZ1:VDZ1=10V,500mW;

R3:20K;

R4:20K。





Q2.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片输入尖峰电压损坏芯片

解决方案一:输入添加瞬态尖峰电压吸收电路(下图蓝色虚线框中电路)  ;

D2:VD2=1.2*VINMAX≤40V。





解决方案二:输入添加过压保护电路(右图红色虚线框中电路)  。

Q1:VDS≥1.5*VINMAX

DZ1:VDZ1=1.2*VINMAX≤40V,500mW;

DZ2:VDZ2=10V,500mW;

R1,R3,R4,R5,R6:20K;

R2:10K;

Q2,Q3:VCE≥1.5*VINMAX



Q3.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片LED、RCS烧毁或COUT炸开

上电时,输出开路,由于RCS上没有压降,芯片功率管一直导通,导致输出电容电压等于输入电压,如果电解电容耐压不足,则会炸开;如果先开路,再接上LED,由于输出电容的电压远高于LED所需电压,接通瞬间电流会很大,可能会导致LED或RCS烧毁。

解决方案:

保证输出端一直有负载;

增加开路保护电路(见下图),其中R1=1K,DZ1=1.2*VOUT。增加开路保护后,开路电压约等于DZ1的值,从而可以保护LED及采样电阻RCS。


Q4.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片如何调光

更改采样电阻RCS;

PWM信号变化占空比调节输出电流(见下图):

PWM:频率1KHz~10KHz;

高电平为5V时,R2选择21K;

高电平为3.3V时,R2选择14K。



使用模拟调光(见下图):



可以通过改变VA电压实现调光,也可以通过改变R2阻值实现调光。


Q5.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片的EMC电路

传导:输入端加π形滤波;
辐射:SW到地加RC吸收

电路;输出加共模电感。



Q6.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片恒流精度低

PCB布线要符合规范,通常是CS走线受干扰引起的,检查CS是否靠近SW、电感、肖特基等处;

检查输出电容容量是否过小 ;

检查电感量是否过小;

RCS电阻精度是否过低。


Q7.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片效率低

效率受很多方面影响,与器件的选择和PCB布板都有很大关系,另外,与使用条件也有较大关系。为了得到高效率,请遵循以下几点:

⒈ PCB布线要符合规范;

⒉ 元器件选择要符合要求,使用低ESR的电解电容,容量要足够;肖特基选用低VF值的;电感可以使用铁硅铝材质;

⒊ 可以适当改变输出LED的串并方式,使VIN与VOUT的压差不要太大,通常VIN不要超过VOUT的3倍为佳。


Q8.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片开关波形乱

正常的开关波形应该是标准的矩形波,开关波形乱通常会伴随着效率的降低,主要注意下几点:

⒈ PCB布线是否符合规范,重点关注反馈走线是否有靠近芯片开关(SW),电感,肖特基等处;

⒉ 元器件选择是否符合要求,尤其是输出电解电容和电感值是否偏小。


Q9.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片芯片最小工作压差

 推荐最好有1V以上的压差。


Q10.开关波形有较高的毛刺和负压

注意肖特基处的走线,减少寄生电感;

输入电容靠近芯片引脚。


Q11.当使用交流供电时,输出电流小于设定值


  当使用交流时,要先经过整流滤波后变成直流,再送到芯片,如果整流后的最低电压比输出电压低时,就会出现上述情况。解决方案:增加输入电容的容量,使整流后最低电平大于输出电压1V。


Q12.在使用交流供电时,为什么要选用肖特基做整流桥

肖特基二极管拥用更低的导通压降,减小损耗。

Q13.系统短路芯片是否损坏

如果先短路,再上电,整个系统都不会有损坏;

如果先上电,再短路,有一定机率烧毁采样电阻,芯片不会损坏。

Q14.输入电容是否必要

必要,输入电容要为芯片提供瞬态大电流,去掉会出现芯片工作不正常,甚至损坏。

Q15.VIN与VC间的电容可否省略

不可以。VC为内部电压调节器旁路电容引脚,在典型应用中,需要在VIN与VC引脚之间连接1个1uF电容。

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