XL30XX系列降压恒流产品设计指南 V1.0

一、内容介绍
XL3001/3003/3005是针对LED照明的全集成开关型变换方案，内部集成大功率 MOSFET，外围元器件简单，系统应用灵活，转换效率最高可达95%以上，输入电压可兼容到40V以上，系统体积小，内置过温保护，开路保护，过流保护，短路保护等全套可靠性保护电路。本文详细介绍了此系列产品典型电路、外围元器件设计、设计实例、常见问题与解决方案。

二、XL30XX系列快速选择表

三、典型应用电路图

四、系统应用设计

(1)输入电容
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：

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。

ΔVIN为输入电压纹波，FSW为开关频率；
输入电容耐压按照1.5*VINMAX进行选择；
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。

(2)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。

(3)输出电流设计

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；
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：

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。
采样电阻RCS的实际功率要大于2倍PRCS。

(4)电感选择

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：

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。

(5)续流二极管选择

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；
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：

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。

(6)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。

(7)PCB设计
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；
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；
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；
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。

五、设计实例

(1)系统输入输出规格参数
输入电压：VIN=20~28V，典型值24V；
输出电压：VOUT=12.8V；
输出电流：IOUT=1.5A；
输出纹波电压：VRIPLE=0.5%VOUT。
芯片选择：P=VOUTIOUT=12.8*1.5=19.2W，故选用XL3003。
计算输入电容：



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

(2)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。

(3)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：

六、常见问题与解决方案

Q1.输入正负极接反芯片损坏
解决方案：添加防反接电路(右图蓝色虚线框中电路)。
Q1:VDS≥1.5*VINMAX；
DZ1:VDZ1=10V，500mW；
R3:20K；
R4:20K。

Q2.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=1.2VINMAX≤40V。
解决方案二：输入添加过压保护电路
(下图红色虚线框中电路) 。
Q1:VDS≥1.5VINMAX；
DZ1:VDZ1=1.2VINMAX≤40V，500mW；
DZ2:VDZ2=10V，500mW；
R1,R3,R4,R5,R6:20K；
R2:10K；
Q2,Q3:VCE≥1.5VINMAX。

Q3.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.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(见右下图)：

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.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.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.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：
①PCB布线要符合规范；
②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；
③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.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：
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；
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.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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