如何构建和测试基于XL6009构建的Sepic转换器

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在 DC-DC 转换器领域,单端初级电感转换器或SEPIC 转换器是一种使用升压型控制拓扑来提高或降低输入电压的转换器。读完这篇文章后,您首先想到的问题是,它是否像美化的经典降压-升压转换器?答案是肯定的和否定的。经典的降压-升压转换器 由两个电感器和两个开关组成,这会增加成本,因此为了降低成本,使用了一种更复杂的拓扑,称为反相降压-升压转换器 。在本文中,我们将学习如何构建和测试基于流行的XL6009 IC构建的简化Sepic 转换器。

SEPIC转换器(单端初级电感转换器)的工作

下面的示意图是SEPIC 转换器的基本示意图,在本文中,我们将使用它来解释工作原理。

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SEPIC 转换器是一种降压-升压拓扑, 与经典的降压-升压型反相拓扑不同。SEPIC转换器的特点是使用两个电感器,一个在输入端,另一个接地,这两个电感器通过耦合电容连接,在施加开关信号时有效地将L1和L2并联。

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现在,为了了解 SEPIC 转换器的工作原理,我们修改了基本电路并从图片中移除了控制器。正如您所看到的,当电源在那个短暂时刻施加到电路时,开关打开,电容器 C2 开始通过电感器 L1 充电。现在,随着控制器 IC 打开,它打开开关。

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现在,随着开关打开,两件事同时发生,首先电感 L1 和 L2 同时开始充电。发生这种情况时,由于 XL6009 IC 的内部电路产生的 PWM 脉冲,开关会打开。

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现在,随着开关再次关断,电感改变极性并通过二极管放电,此时输出电容C3保持电荷。并且根据PWM 信号和反馈,现在我们可以非常稳定地改变输出电压。这是对 SEPIC 转换器如何工作的非常基本的解释。

此时,如果您想知道这个原理图中的 L1 有什么用呢?现在,请仔细查看原理图:您在电路图上看到的电感器是耦合电感器,这意味着两个绕组连接在一个磁芯中。这样做是为了减少瞬变。因此,使用单独的电感器设计的问题之一是两个电感器 L1 和 L2 与电容器串联形成谐振电路,从电路理论中我们都知道,对于LC 电路中的阶跃响应,输入电压可能会上升两倍于输入电压,因此可能会损坏您敏感的实验室电源。 因此,最小化该问题的方法是使用带有耦合电感的 SEPIC。当我们这样做时,能量会被 SEPIC耦合电容器耦合。如果没有耦合电容器,该电路将用作反激式转换器。耦合电容器可将任何泄漏电压短路,并允许电路更有效地工作。在这些类型的耦合电感转换器中,两个电感应该具有相同的值,这就是我们需要构建电感的原因。

构建 SEPIC 转换器所需的组件

下面列出了构建基于 XL6009 升压转换器 IC 的 SEPIC 降压-升压转换器所需的组件。该项目中使用的组件非常通用,您可以在当地的爱好商店中找到其中的大部分。

XL6009 集成电路 - 1

470uF,63V电容 - 1

220uF,63V电容 - 1

22uF,63V电容 - 1

1uF,50V 贴片 0805 电容 - 2

MBR20100CT 二极管 - 1

10K 电阻 - 1

10K 电位器 - 1

螺丝端子 - 2

47uH 耦合电感 - 1

跳线 - 1

隔板 - 1

基于 XL6009 的 SEPIC 转换器原理图

基于 XL6009 的 SEPIC 转换器的完整原理图如下所示。

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该电路的工作原理非常简单。首先,我们的输入存储电容直接连接到 IC 的输入 VCC 引脚。接下来,我们有我们的耦合电容器,在示例原理图中推荐使用 47uH 4A 耦合电感器,该示例原理图取自Xl6009 数据表的图 6 。耦合电感可以是任意类型;它可以是一个耦合变压器,或者在我的情况下,它是一个环形线轴,我们从旧的不工作的 ATX 电源中弄乱了它。输出二极管是一个 MUR810 二极管,为 8A 和 100V。接下来,我们的反馈电路由一个 10K 电阻器和一个 10K 电位器组成。最后,我们有存储输出电压的输出电容器。完成焊接过程后,电路板如下图所示。

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基于 XL6009 的 SEPIC 转换器的 PCB

我们的 SEPIC 降压-升压转换器电路的 PCB 设计在单面板上。我使用 Eagle 来设计我的 PCB,但您可以使用您选择的任何 PCB 设计软件。Eagle 生成的 PCB 顶部和底部的 2D 图像如下所示。

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正如您在 PCB 的最左侧看到的,我们有输入电源连接器,在右下角,我们有输出连接器。我们在耦合电感中间使用了一个电容器,因为它放置在那里非常方便,PCB 上的电容器 C3 就是我们在基本原理图中显示的电容器 C2。这个 SEPIC 转换器的主要驱动是 XL6009 IC,它位于 PCB 的底部。由于它是 SMD 组件,我们必须将其放在底部。我们使用了厚接地层来确保有足够的电流流过它。完整的设计文件以及 TL494 升压转换器原理图可从以下链接下载

下载基于 XL6009 的 SEPIC 转换器电路的 PCB 设计 GERBER 文件

手工PCB:

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为方便起见,我准备了手工制作的 PCB 版本,如下所示。我在制作这个 PCB 时犯了一些错误,所以我不得不使用一些铜线作为跳线来修复它。

测试基于 XL6009 的 SEPIC 降压-升压转换器电路

注意: 第一次给这个电路供电时,一定要使用恒流电源来限制电流,或者你可以使用一堆功率电阻来限制电流。如果您在焊接过程中犯了一些错误,XL6009 可能会烧坏。

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如您所见,上述测试设置用于测试电路。ATX PC,电源用于为电路供电,这就是输入电压保持在 12V 的原因。您还可以看到电路当前在升压模式下运行,因此在这种情况下输出保持在 43.26V 伏特,我在电路上连接了一个 2.2K 1W 电阻的最小负载,它消耗了大约 0.02A 的电流。

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上图显示,该电路在最小负载条件下可以达到 2.5V 的最小电压。

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因为我只有两个万用表,所以我使用了 mecho 450B+ 万用表来显示输出电压,我使用了 MECHO 108B+ 万用表来测量输出电流。

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在上图中,SEPIC 转换器的输出电压保持不变,为 43.28V,这意味着输出电流也保持不变。但在 MECHO 108B+ 万用表中,您可以看到电流已升至 0.223A 或 223 mA。这是因为在上图中,MECHO 108B+ 万用表显示输入电流,当我使用 ATX 电源为电路供电时,输入电压保持在 12V。

现在,对于较低电压范围内的效率,我能够获得约 68% 的效率,但在较高电压范围内,效率下降到约 40%。这只是因为电感器质量差。所以,电感的质量必须非常好。EE 核心将比环形核心做得更好。

进一步增强

此 SEPIC 升降压转换器电路仅用于演示目的,因此在电路的输出部分未添加保护电路

必须增加一个输出保护电路来保护负载电路。

电感器需要浸入清漆中,否则会产生可听噪声。

具有适当设计的优质PCB是强制性的

可以修改开关晶体管以增加负载电流。

电感的质量必须非常好。

为了从电路中获得最大效率,电感器应该能够处理 XL6009 数据表中定义的最大 4A 电流。

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