Перейти к содержанию

XL4015 — понижающий преобразователь 8–36 В на 5 А

XL4015 — понижающий импульсный стабилизатор XLSEMI со встроенным P-канальным ключом, на котором собрана масса модулей «DC-DC 5 А» с подстроечными резисторами. Разбираем по англоязычному и китайскому даташитам производителя выводы, предельные режимы, расчёт делителя и дросселя, нагрев и то, чем XL4015 не похож на LM2596 при одинаковом корпусе.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

XL4015 — понижающий (buck) импульсный стабилизатор с частотой 180 кГц и встроенным P-канальным ключом. Снаружи нужны дроссель, диод Шоттки, входной и выходной конденсаторы, делитель обратной связи и конденсатор на выводе VC. Схема без отдельного вывода компенсации: коррекция петли встроена, поэтому параметры внешних элементов лучше брать из типовых схем производителя. Как работает понижающий преобразователь и как считать его элементы, разобрано в статье «Понижающий преобразователь» и в калькуляторе DC-DC.

Коротко

  • Вход — 8–36 В, предельно 40 В; выход — от 1,25 до 32 В делителем, падение на ключе от 0,3 В, коэффициент заполнения до 100 %.
  • Частота — 180 кГц (144–216 кГц), при коротком замыкании выхода снижается до 48 кГц.
  • Ключ — P-канальный MOSFET, 60 мОм тип., 80 мОм макс.; ограничение тока ключа — 7 А тип.
  • Опорное напряжение на FB — 1,225–1,25–1,275 В.
  • Ток покоя — 2,1 мА тип., 5 мА макс.
  • Корпус — TO263-5L (D2PAK-5), фланец соединён с SW; θJA 30 °C/Вт без радиатора по даташиту.

Выводы

XL4015 в корпусе TO263-5L, вид сверху: 1 GND, 2 FB, 3 SW, 4 VC, 5 VIN; фланец соединён с выводом 3 (SW)Выводы: 1 — GND, 2 — FB, 3 — SW, 4 — VC, 5 — VINTO263-5L, вид сверхуXL40151GND2FB3SW4VC5VINфланец — вывод 3 (SW)
XL4015 в корпусе TO263-5L, вид сверху, как на рис. 2 даташита: фланец слева соединён с выводом 3 (SW)
ВыводОбозначениеНазначение
1GNDобщий провод; XLSEMI советует подключать его вне контура «диод Шоттки — выходной конденсатор», чтобы импульсный ток не наводил помехи
2FBобратная связь: средняя точка делителя, порог 1,25 В
3SWвыход ключа: к дросселю и катоду диода; с этим выводом соединён фланец
4VCвывод внутреннего стабилизатора: конденсатор 1 мкФ к VIN, а не к земле
5VINвход 8–36 В; рядом — входной конденсатор достаточной ёмкости

Наш вывод из сравнения с карточкой LM2596: обе микросхемы выпускают в D2PAK-5, но расположение выводов разное. У LM2596 вывод 1 — вход, 3 и фланец — земля, а у XL4015 вывод 1 — земля, 5 — вход, а фланец — узел переключения SW. Поэтому XL4015 не ставят на плату LM2596 без переразводки, а медный полигон под фланцем XL4015 — это сеть SW: его делают не больше, чем нужно для охлаждения, и не соединяют с землёй. Размеры корпуса — на странице TO-263-5 (D2PAK-5). Порядок выводов у разных стабилизаторов в D2PAK-5 свой — сверяйте с даташитом конкретной микросхемы.

Параметры

По таблицам на с. 4–5 даташита Rev 2.0 (TA = 25 °C, Uвх = 12 В, Iвых = 0,5 А, если не указано иное):

ПараметрМин.Тип.Макс.Условия
Входное напряжение8—36 Врабочий диапазон
Напряжение обратной связи VFB1,2251,251,275 Всхема рис. 4, Uвых = 5 В, Iнагр = 0,5–5 А
Частота генератора144180216 кГц
Частота при коротком замыкании—48— кГц
Ток покоя—2,15 мАVFB = 5 В
Ограничение тока ключа—7— АVFB = 0 В
Максимальный коэффициент заполнения—100— %VFB = 0 В
Сопротивление ключа—6080 мОмUвх = 12 В, ток ключа 5 А
КПД—87— %12 → 5 В, 5 А
КПД—93— %24 → 12 В, 4 А

Предельные режимы: вход от −0,3 до 40 В, вывод FB от −0,3 до 7 В, вывод SW от −0,3 В до Uвх; рассеиваемая мощность ограничена внутренней защитой; температура кристалла от −40 до +125 °C, хранения от −65 до +150 °C; ESD по модели тела человека — больше 2000 В. Внутри есть тепловая защита, ограничение тока и защита от короткого замыкания выхода.

Ограничение тока задано только типовым значением 7 А, без минимума. Наш вывод: даташит не гарантирует, что каждый экземпляр отдаст 5 А, — это типовая возможность, подтверждённая схемой 5 В / 5 А и кривыми КПД. Для расчёта пиковый ток дросселя лучше держать с запасом ниже 7 А.

Расчёт обвязки

Выходное напряжение задаёт делитель R2 (сверху, от выхода к FB) и R1 (снизу, от FB к земле):

Uвых=1,25⋅(1+R2R1)U_\text{вых} = 1{,}25 \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)
Схема XLSEMIR1R2Uвых (наш расчёт)ДроссельКонденсаторы
рис. 4–5: Uвх = 8–36 В, 5 В / 5 А3,3 кОм10 кОм5,04 В47 мкГн / 5 Авход 220 мкФ / 50 В, выход 330 мкФ / 25 В
рис. 7: Uвх = 15–36 В, 12 В / 4 А1,5 кОм13 кОм12,08 В47 мкГн / 5 Авход 220 мкФ / 50 В, выход 330 мкФ / 25 В
рис. 10: Uвх = 24 В, 20 В / 5 А1 кОм15 кОм20 В47 мкГн / 12 Авход 470 мкФ / 50 В, выход 470 мкФ / 35 В

Во всех схемах параллельно R2 стоит конденсатор CFF 33 нФ, диод — Шоттки MBRD1045G, на выводе VC — 1 мкФ к входу. С учётом разброса VFB (1,225–1,275 В) делитель на 5 В даёт от 4,94 до 5,14 В (наш расчёт) — точнее подстраивают переменным резистором, как на готовых модулях.

Дроссель. Размах пульсаций тока дросселя при непрерывном токе (наш расчёт по формулам статьи «Понижающий преобразователь», без учёта потерь):

ΔIL=(Uвх−Uвых)⋅DL⋅f,D=UвыхUвх\Delta I_L = \frac{(U_\text{вх} - U_\text{вых}) \cdot D}{L \cdot f}, \qquad D = \frac{U_\text{вых}}{U_\text{вх}}

Для 12 → 5 В, 47 мкГн и 180 кГц: D = 0,417, ΔIL = 7 · 0,417 / (47 · 10⁻⁶ · 180 · 10³) ≈ 0,35 А. Для 36 → 5 В: D = 0,139, ΔIL ≈ 0,51 А, а на нижней границе частоты 144 кГц — около 0,64 А. Пиковый ток дросселя при нагрузке 5 А — около 5,3 А: ниже типового порога 7 А, но запас небольшой. Ток насыщения дросселя выбирают не меньше пикового — в схеме на 20 В / 5 А XLSEMI указывает дроссель на 12 А.

Диод — Шоттки на ток не меньше выходного и обратное напряжение выше входного; подробнее — на странице «Диод Шоттки» и в карточке SS14–SS34 (для 5 А они малы, нужен диод на 10 А, как MBRD1045G в схемах XLSEMI).

Выключение

Отдельного вывода включения у XL4015 нет. В схеме на с. 8 логический сигнал подают на вывод FB через резистор 10 кОм и диод 1N4148: единица выше 3,3 В (и не выше 7 В — предел вывода FB) выключает преобразователь, ток от входа при этом меньше 5 мА; ноль ниже 0,8 В — включает. Источник сигнала должен отдавать ток не меньше Uупр / (R1 + R3). Наш вывод: такое выключение не отключает внутренние цепи — для батарейных устройств, где важны микроамперы, понадобится ключ во входной цепи.

Нагрев

Наш расчёт для 12 → 5 В при 5 А. По кривой КПД 87 % входная мощность 25 / 0,87 ≈ 28,7 Вт, потери всего преобразователя — около 3,7 Вт; они делятся между ключом, диодом, дросселем и конденсаторами. Только потери проводимости ключа: I² · RDS(on) · D = 25 · 0,08 · 0,417 ≈ 0,83 Вт по максимальному сопротивлению (0,63 Вт по типовому), к ним добавляются потери переключения. При θJA = 30 °C/Вт одни потери проводимости нагревают кристалл на 19–25 °C над окружающим воздухом.

XLSEMI приводит θJA 30 °C/Вт «без радиатора, в свободном воздухе», но не указывает площадь меди под фланцем. Наш вывод: эта цифра справедлива для платы с заметным полигоном; на модуле с маленькой платой нагрев будет больше, поэтому полный ток 5 А долго держат только с обдувом или радиатором. Как оценить радиатор — в калькуляторе радиатора, что такое тепловое сопротивление — на странице «Тепловое сопротивление».

Расхождения в документации

  • Что значит «5 А». Англоязычный даташит Rev 2.0 называет 5 А способностью отдавать постоянный выходной ток («Constant Output Current»), а китайская редакция Rev 1.2 в заголовке и списке особенностей — максимальным током ключа (开关电流). Наш вывод: стабилизации тока в микросхеме нет — регулировка тока на популярных модулях XL4015 сделана внешней схемой, а 5 А — это верхняя граница выходного тока, у которой пиковый ток ключа уже выше 5 А.
  • Условие для VFB. Строка напряжения обратной связи измерена при Uвх от 8 до 40 В, хотя рабочий диапазон входа — до 36 В, а 40 В — предельный режим. В обеих редакциях таблица одинакова; проектировать нужно на 36 В.

Аналоги

Близкие по назначению — LM2596 (3 А, 150 кГц, вход до 40 В) и LM2576 (3 А, 52 кГц). Они медленнее и слабее по току, зато у них есть вывод ON/OFF и даташиты с гарантированными границами параметров во всём диапазоне температур. Выводы у всех трёх микросхем расположены по-разному: выбор между ними — это выбор при разводке платы, а не замена на готовой.

Частые вопросы

Какая распиновка у XL4015?

Корпус TO263-5L, вид сверху: 1 — GND, 2 — FB (обратная связь, порог 1,25 В), 3 — SW (выход ключа к дросселю и катоду диода), 4 — VC (конденсатор 1 мкФ к выводу VIN), 5 — VIN (вход 8–36 В). Металлический фланец соединён с SW, то есть на нём импульсное напряжение, а не земля.

Можно ли поставить XL4015 вместо LM2596?

Только на новую плату. Корпус у обеих D2PAK-5, но у LM2596 вывод 1 — вход, 2 — выход ключа, 3 и фланец — земля, 4 — обратная связь, 5 — выключение. У XL4015 вывод 1 — земля, 5 — вход, а фланец — узел переключения. Опорное напряжение близкое (1,23 и 1,25 В), но перепаять микросхему без изменения разводки нельзя.

Как задать выходное напряжение XL4015?

Делителем с выхода на вывод FB: Uвых = 1,25 · (1 + R2/R1), где R2 — верхний резистор, R1 — нижний. В схемах XLSEMI R1 = 3,3 кОм и R2 = 10 кОм дают 5,04 В, R1 = 1,5 кОм и R2 = 13 кОм — 12,08 В, R1 = 1 кОм и R2 = 15 кОм — 20 В. Параллельно R2 стоит конденсатор 33 нФ.

Есть ли у XL4015 вывод включения?

Отдельного вывода нет. XLSEMI предлагает выключать преобразователь через вывод FB: логический сигнал подают через резистор 10 кОм и диод 1N4148. Единица выше 3,3 В (но не выше 7 В) выключает преобразователь, ток от входа при этом меньше 5 мА; ноль ниже 0,8 В — включает.

Источники

  1. XLSEMI. XL4015 Datasheet: 5A 180KHz 36V Buck DC to DC Converter (Rev 2.0) — с. 1 — описание и особенности; с. 2 — выводы TO263-5L и табл. 1; с. 3 — структурная и типовая схемы (рис. 4, 5 В / 5 А); с. 4 — заказ и предельные режимы; с. 5 — электрические характеристики; с. 6–7 — схемы 5 В / 5 А и 12 В / 4 А с кривыми КПД; с. 8 — выключение логическим сигналом и схема 20 В / 5 А; с. 9 — чертёж корпуса
  2. XLSEMI. XL4015 数据手册: 180KHz 36V 5A开关电流降压型DC-DC转换器 (Rev 1.2) — китайская редакция того же даташита: те же таблицы предельных режимов и характеристик (с. 4–5), но в заголовке и списке особенностей 5 А названы током ключа, а не выходным током

Нашли ошибку?

Смотрите также