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XL3001,XL3003,XL3005系列降壓恒流產品設計指南 V1.0

信息來源 : 網絡 發佈時間:2016-12-30 12:55 | 520 次瀏覽

XL30XX系列降壓恒流產品設計指南.PDF


XL3001,XL3003,XL3005系列快速選擇表


產品型號

輸入電壓範圍

開關電流

開關頻率

輸出電壓

典型應用

效率(Max)

封裝類型

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系列典型應用電路圖





XL3001,XL3003,XL3005系統應用設計

輸入電容

⒈ 降壓轉換器的非持續輸入電流會在輸入電容上產生較大的紋波電流,輸入電容最大RMS電流計算如下:


⒉輸入電容起到儲能、濾波與提供瞬態電流作用,在連續模式中,轉換器的輸入電流是壹組占空比約為VOUT/VIN的方波。為了防止大的瞬態電壓,必須采用針對最大RMS電流要求而選擇低ESR(等效串聯電阻)輸入電容器。


▲VIN為輸入電壓紋波,FSW為開關頻率;

⒊ 輸入電容耐壓按照1.5*VINMAX進行選擇;

⒋在未使用陶瓷電容時,建議在輸入電容上並聯壹個0.1uF~1uF的高頻貼片陶瓷電容進行高頻去藕。


CC電容

VC是芯片內部電壓調節旁路電容,內部電壓調節旁路電容,需要在VC與VIN之間並聯1uF電容。


輸出電流設計

⒈ CS為芯片內部基準誤差放大器輸入端,內部基準穩定在0.21V;

⒉ CS通過采樣電阻檢測輸出電流進行調整,輸出電流計算公式為:


⒊ 輸出電壓精度取決於芯片VCS精度與采樣電阻RCS精度,選擇精度更高的電阻可以獲得精度更高的輸出電流,RCS精度需要控制在±1%以內。

⒋ 采樣電阻RCS的實際功率要大於2倍PRCS

電感選擇

⒈ 電感的選擇取決於VINMAX與VOUT壓差、所需輸出電流與芯片開關頻率,電感最小值計算公式如下:


⒉ 電感飽和電流最小為1.5*IOUT;選用低直流電阻的電感可獲得更高的轉換效率。

續流二極管選擇

⒈ 續流二極管在開關管關閉時有電流通過,形成續流通路;需要選擇肖特基二極管,肖特基二極管VF值越低,轉換效率越高;

⒉ 續流二極管額定電流值大於最大輸出電流,正常工作時平均正向電流可計算如下:

⒊ 續流二極管反向耐壓大於最高輸入電壓,建議預留30%以上裕量。


輸出電容選擇

在輸出端應選擇低ESR電容以減小輸出紋波電壓,壹般來說,壹旦電容ESR得到滿足,電容就足以滿足需求。任何電容器的ESR連同其自身容量將為系統產生壹個零點,ESR值越大,零點位於的頻率段越低,而陶瓷電容的零點處於壹個較高的頻率上,通常可以忽略,是壹種上佳的選擇,但與電解電容相比,大容量、高耐壓陶瓷電容會體積較大,成本較高,因此使用0.1uF至1uF的陶瓷電容與低ESR電解電容結合使用是不錯的選擇。

輸出電壓紋波由下式決定:





VCOUT≥1.5*VOUT;ESR通常取值不超過0.2Ω。


PCB設計

⒈ VIN,GND,SW,VOUT+,VOUT-是大電流途徑,註意走線寬度,減小寄生參數對系統性能影響;

⒉ 輸入電容靠近芯片VIN與GND放置,電解電容+貼片陶瓷電容組合使用;

⒊ CS走線遠離電感與肖特基等有開關信號地方,CS走線使用地線包圍較佳;

⒋ 芯片、電感、肖特基為主要發熱器件,註意PCB熱量均勻分配,避免局部溫升高。


設計實例

系統輸入輸出規格參數

⒈ 輸入電壓:VIN=20~28V,典型值24V;

⒉ 輸出電壓:VOUT=12.8V;

⒊ 輸出電流:IOUT=1.5A;

⒋ 輸出紋波電壓:VRIPLE=0.5%*VOUT


芯片選擇:
P=VOUT*IOUT =12.8*1.5=19.2W,故選用XL3003。


計算輸入電容:


  CIN選擇容量大於22uF,IRMS電流大於750mA,VCIN耐壓大於42V的電容。


CC電容選擇:

選擇CC電容容量為1uF,耐壓50V。


計算采樣電阻:





可以選擇3個0.43Ω電阻並聯,考慮到功率,可以使用1206封裝。


選擇電感:


電感最小飽和電流=1.5*1.5=2.25A。選擇電感量100uH,飽和電流3A。


續流二極管選擇:

二極管工作時最大正向平均電流產生於最大輸入電壓時:


選擇反向耐壓40V,電流能力大於2A的肖特基二極管。


選擇輸出電容:


選擇輸出電容ESR<0.2026Ω(通常取0.2Ω以下),耐壓大於19.2V,IRMS電流大於95mA。


常見問題與解決方案

Q1.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片輸入正負極接反芯片損壞

解決方案:添加防反接電路(下圖藍色虛線框中電路)。

Q1:VDS≥1.5*VINMAX

DZ1:VDZ1=10V,500mW;

R3:20K;

R4:20K。





Q2.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片輸入尖峰電壓損壞芯片

解決方案壹:輸入添加瞬態尖峰電壓吸收電路(下圖藍色虛線框中電路)  ;

D2:VD2=1.2*VINMAX≤40V。





解決方案二:輸入添加過壓保護電路(右圖紅色虛線框中電路)  。

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燒毀或COUT炸開

上電時,輸出開路,由於RCS上沒有壓降,芯片功率管壹直導通,導致輸出電容電壓等於輸入電壓,如果電解電容耐壓不足,則會炸開;如果先開路,再接上LED,由於輸出電容的電壓遠高於LED所需電壓,接通瞬間電流會很大,可能會導致LED或RCS燒毀。

解決方案:

保證輸出端壹直有負載;

增加開路保護電路(見下圖),其中R1=1K,DZ1=1.2*VOUT。增加開路保護後,開路電壓約等於DZ1的值,從而可以保護LED及采樣電阻RCS。


Q4.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片如何調光

更改采樣電阻RCS;

PWM信號變化占空比調節輸出電流(見下圖):

PWM:頻率1KHz~10KHz;

高電平為5V時,R2選擇21K;

高電平為3.3V時,R2選擇14K。



使用模擬調光(見下圖):



可以通過改變VA電壓實現調光,也可以通過改變R2阻值實現調光。


Q5.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片的EMC電路

傳導:輸入端加π形濾波;
輻射:SW到地加RC吸收

電路;輸出加共模電感。



Q6.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片恒流精度低

PCB布線要符合規範,通常是CS走線受幹擾引起的,檢查CS是否靠近SW、電感、肖特基等處;

檢查輸出電容容量是否過小 ;

檢查電感量是否過小;

RCS電阻精度是否過低。


Q7.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片效率低

效率受很多方面影響,與器件的選擇和PCB布板都有很大關系,另外,與使用條件也有較大關系。為了得到高效率,請遵循以下幾點:

⒈ PCB布線要符合規範;

⒉ 元器件選擇要符合要求,使用低ESR的電解電容,容量要足夠;肖特基選用低VF值的;電感可以使用鐵矽鋁材質;

⒊ 可以適當改變輸出LED的串並方式,使VIN與VOUT的壓差不要太大,通常VIN不要超過VOUT的3倍為佳。


Q8.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片開關波形亂

正常的開關波形應該是標準的矩形波,開關波形亂通常會伴隨著效率的降低,主要註意下幾點:

⒈ PCB布線是否符合規範,重點關註反饋走線是否有靠近芯片開關(SW),電感,肖特基等處;

⒉ 元器件選擇是否符合要求,尤其是輸出電解電容和電感值是否偏小。


Q9.XL3001,XL3003,XL3005系列芯片芯片最小工作壓差

 推薦最好有1V以上的壓差。


Q10.開關波形有較高的毛刺和負壓

註意肖特基處的走線,減少寄生電感;

輸入電容靠近芯片引腳。


Q11.當使用交流供電時,輸出電流小於設定值


  當使用交流時,要先經過整流濾波後變成直流,再送到芯片,如果整流後的最低電壓比輸出電壓低時,就會出現上述情況。解決方案:增加輸入電容的容量,使整流後最低電平大於輸出電壓1V。


Q12.在使用交流供電時,為什麽要選用肖特基做整流橋

肖特基二極管擁用更低的導通壓降,減小損耗。

Q13.系統短路芯片是否損壞

如果先短路,再上電,整個系統都不會有損壞;

如果先上電,再短路,有壹定機率燒毀采樣電阻,芯片不會損壞。

Q14.輸入電容是否必要

必要,輸入電容要為芯片提供瞬態大電流,去掉會出現芯片工作不正常,甚至損壞。

Q15.VIN與VC間的電容可否省略

不可以。VC為內部電壓調節器旁路電容引腳,在典型應用中,需要在VIN與VC引腳之間連接1個1uF電容。

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