XL6019 升压变换器芯片技术报告

概述

XL6019 是一款由芯源半导体公司推出的高效率、高输出电流、固定频率的脉宽调制 升压直流-直流变换器，该芯片采用电流模式控制，具有出色的负载和线性调整率，其内置低导通电阻的 N 沟道 MOSFET，能够以高达 93% 的效率提供高达 4A 的输出电流，非常适合于需要将低电压电池（如锂电池组）转换为高电压的应用。

XL6019 具有简单的应用电路、外围元件少、易于使用等特点，广泛应用于便携式设备、LED 驱动器、电池供电设备、小功率电源适配器等领域。

核心特性

• 高输出电流: 连续输出电流可达 4A,峰值电流更高。
• 高转换效率: 典型效率可达 92%-93%,优化了电池续航时间。
• 宽输入电压范围: 5V 至 36V,兼容多种电源和电池系统。
• 宽输出电压范围: 可通过外部电阻分压灵活设置，最高可达输出电压的 10 倍于输入电压。
• 固定工作频率: 180kHz 的固定开关频率,便于滤波器设计并减小外部元件尺寸。
• 内部补偿: 无需外部补偿环路,简化了电路设计。
• 完善的保护功能:
  • 过温保护
  • 输出过压保护
  • 输入欠压锁定
• 封装形式: 提供节省空间的 SOP-8 和 ESOP-8 封装。

引脚功能与封装

XL6019 通常采用 SOP-8 或 ESOP-8 封装,各引脚功能如下：

封装图: (此处为文字描述，实际报告中应插入芯片封装图) SOP-8 封装有 8 个引脚，分布在一侧，引脚 1 通常有一个小圆点或凹坑作为标记，从标记端开始，引脚顺序为 1, 2, 3, 4, 8, 7, 6, 5。

工作原理

XL6019 是一个典型的基于电流模式控制的 Boost（升压）变换器,其核心工作过程如下：

1. 导通阶段:

   • 内部高压 MOSFET 导通。
   • 电流从输入电源 VIN 流过电感 L，然后流过导通的 MOSFET 到地 GND。
   • 在此期间，电感 L 存储能量,其电流线性上升。
   • 由于 MOSFET 导通，输出端由输出电容 COUT 供电,为负载提供能量。

2. 关断阶段:

   • 当内部电流检测电路检测到电感电流达到预设的阈值时，内部 MOSFET 关断。
   • 电感 L 中存储的能量会产生一个反向电动势,其极性为左负右正。
   • 电感 L、输出电容 COUT 和负载形成一个回路，电流通过续流二极管 D（或内部同步整流 MOSFET）流向输出端。
   • 电感电流线性下降,直到下一个开关周期的开始。

控制环路:

• 电压环: FB 引脚通过电阻分压网络 R1/R2 监测输出电压 VOUT，当 VOUT 下降时，FB 电压也下降，与内部 1.2V 的基准电压比较后，误差放大器会输出一个信号，增加 MOSFET 的导通时间（即占空比），从而提升 VOUT,使其稳定在设定值。
• 电流环: CS 引脚通过检流电阻 RSENSE 检测电感的峰值电流，该电压与内部电流阈值比较，直接控制 MOSFET 的关断，实现了逐周期电流限制,提高了系统的动态响应和稳定性。

关键电气参数

典型应用电路分析

以下是一个基于 XL6019 的典型 12V 转 24V 升压电路。

电路图: (此处为文字描述，实际报告中应插入完整的应用电路图)

          +---------------------------------- VIN (12V)
          |
          C1 (Input Cap)
          |
     VIN ---+----+--- SW (Pin 1)
           |    |
           |   [ L1 ] (Inductor)
           |    |
     GND ---+----+--- CS (Pin 7)
           |    |    |
           |   [R_sense] (Current Sense Resistor)
           |    |    |
     GND ---+----+----+--- GND (Pin 2)
           |         |
           |        [C2] (Bootstrap Cap)
           |         |
     VCC ---+----+----+--- VCC (Pin 4)
           |    |    |
           |   [C3] (VCC Bypass Cap)
           |    |
     GND ---+----+----+--- GND
           |         |
           |        [C4] (Output Cap)
           |         |
     VOUT ---+----+----+--- VOUT (24V)
           |    |    |
           |   [D1] (Schottky Diode)
           |    |
     SW ---+----+--- GND
           |
     FB ---+----+--- FB (Pin 3)
           |    |
          [R1]  [R2]
           |    |
     GND ---+----+----+--- GND
           |
     EN ---+----+--- EN (Pin 5)
           |    |
          [R3]  [R4]
           |    |
     GND ---+----+----+--- GND
           |
     COMP ---+--- COMP (Pin 6)
           |
          [C5] (Compensation Cap, Optional)
           |
     GND ---+----+----+--- GND

元件选型指南:

1. 电感:

   • 值: 电感值影响纹波电流和连续/非连续模式工作，常用值在 10μH 到 47μH 之间，较大的电感值可以减小纹波电流,但会增加成本和体积。
   • 饱和电流: 电感的饱和电流必须大于最大峰值电感电流（Ipk ≈ Iout_max / (1 - D) + ΔI/2），通常选择饱和电流为 Iout_max 的 1.2-1.5 倍。
   • DCR: 直流电阻越小，功率损耗越小,效率越高。

2. 续流二极管:

   • 类型: 必须使用肖特基二极管,因为它具有低正向压降和快速恢复特性。
   • 额定电流: 二极管的平均电流应略大于最大输出电流。
   • 反向耐压: 反向耐压应大于最大输出电压。

3. 输入/输出电容:

   • 类型: 选用低等效串联电阻 的陶瓷电容或多层陶瓷电容。
   • 值: 输入电容用于滤除输入电流的纹波，稳定输入电压，输出电容用于滤除输出电压的纹波，并提供瞬时负载电流，容值通常在 10μF 到 100μF 之间,具体取决于纹波要求。

4. 反馈电阻:

   • 根据公式 VOUT = VFB * (1 + R1 / R2) 计算分压电阻。
   • R2 的取值通常在 10kΩ 到 100kΩ 之间，选择 R2 = 10kΩ，则 R1 = (VOUT / VFB - 1) * R2。
   • 对于 VOUT=24V, VFB=1.2V, R2=10kΩ: R1 = (24 / 1.2 - 1) * 10k = 190kΩ。

5. 检流电阻:

   • 用于检测电感电流，其阻值决定了电流限制阈值。I_limit = Vcs_th / R_sense。
   • 内部 CS 引脚阈值 Vcs_typ 约为 300mV，为留出余量，通常设置限制电流比预期最大电流高 10%-20%。
   • 若想限制在 4A，R_sense = 0.3V / 4A = 75mΩ，可选用 68mΩ 或 75mΩ 的精密电阻。

设计注意事项

1. PCB 布局: PCB 布局对开关电源的性能至关重要。

   • 功率回路: 电感、输入电容、MOSFET、续流二极管和输出电容之间的环路面积应尽可能小，以减小电磁干扰 和寄生电感。
   • 接地: 将功率地（电感、电容、二极管、检流电阻）和信号地（FB、EN、COMP）分开，然后在芯片下方的一个点（单点接地）连接。
   • CS 走线: 检流电阻的走线应直接连接到 CS 和 GND 引脚，并远离高 dV/dt 的开关节点,以避免噪声耦合。
   • 旁路电容: VCC 引脚的旁路电容应尽可能靠近芯片的 VCC 和 GND 引脚。

2. 散热: 在高功率输出时，芯片会产生热量，确保有足够的铜箔面积进行散热,必要时可增加散热过孔。

3. 稳定性: 虽然芯片内部已补偿，但在极端输入输出条件下，仍可能存在稳定性问题，可在 COMP 引脚和地之间增加一个小电容（如 10pF-100pF）来改善相位裕度。

XL6019 是一款性能卓越、设计灵活的升压变换器控制器，它凭借其高效率、大电流输出、宽输入电压范围和完善的保护功能，成为众多电池供电和便携式设备的首选方案，通过遵循本报告中的设计指南和注意事项，工程师可以快速设计出稳定、可靠的升压电源电路。

免责声明: 本报告信息基于芯片数据手册和通用设计实践，仅供参考，实际设计时,请务必查阅并遵循芯片制造商发布的最新版数据手册和应用笔记。