如何進行電源設(shè)計——第 4 部分

1.前言

在本系列的前幾期中，我重點介紹了規(guī)格、傳輸比和基本額定功率，以及降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。在本期中，我將介紹單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 和 Zeta 轉(zhuǎn)換器。在高達 25W 的功率范圍內(nèi)，這兩種拓撲結(jié)構(gòu)都可以成為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的經(jīng)濟高效的替代方案。

2.SEPIC

SEPIC 拓撲可以升高和降低其輸入電壓。當(dāng)開關(guān) Q1 不導(dǎo)通時，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出。圖 1 顯示了非同步 SEPIC 的原理圖。

圖 1：非同步 SEPIC 示意圖

公式 1 計算連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下的占空比為：

公式 2 計算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 應(yīng)力為：

公式 3 給出了最大二極管應(yīng)力為：

其中 V in是輸入電壓，V out是輸出電壓，V f是二極管正向電壓，V C1,ripple是耦合電容器兩端的電壓紋波。

電感電容 (LC) 濾波器 L1/Ci 指向 SEPIC 的輸入。由于持續(xù)的電流流動，這會導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)較小的紋波。在輸出端，紋波更大，因為存在脈沖輸出電流。

非同步 SEPIC 的成本低于降壓-升壓拓撲，因為我們只需要一個柵極驅(qū)動器（相比之下，雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器需要兩個）和兩個半導(dǎo)體組件（而不是四個）。SEPIC 與降壓-升壓拓撲相比的另一個優(yōu)勢是，當(dāng)兩個轉(zhuǎn)換器均以降壓模式運行時，由于 SEPIC 的連續(xù)輸入電流，其電磁干擾 (EMI) 行為更好。

我們可以使用升壓控制器輕松構(gòu)建 SEPIC，因為 MOSFET Q1 需要在低側(cè)驅(qū)動。

右半平面零 (RHPZ) 是 SEPIC 可實現(xiàn)的調(diào)節(jié)帶寬的限制因素。最大帶寬大約是 RHPZ 頻率的五分之一。公式 4 計算 SEPIC 傳遞函數(shù)的單個 RHPZ 頻率的估計值：

為 s 求解方程 5 將得到一個或兩個以上的 RHPZ(s)：

其中 V out是輸出電壓，D 是占空比，I out是輸出電流，L 1是電感 L1 的電感，L 2是電感 L2 的電感，C 1是耦合電容 C1 和 s 的電容是復(fù)頻率變量。

圖 2 至圖 11 顯示了非同步 SEPIC 中 FET Q1、電感器 L1、耦合電容器 C1、二極管 D1 和電感器 L2 的 CCM 電壓和電流波形。

圖 2：CCM 中的 SEPIC FET Q1 電壓波形	圖 3：CCM 中的 SEPIC FET Q1 電流波形
圖 4：CCM 中的 SEPIC 電感器 L1 電壓波形	圖 5：CCM 中的 SEPIC 電感器 L1 電流波形
圖 6：CCM 中 SEPIC 耦合電容器 C1 的電壓波形	圖 7：CCM 中 SEPIC 耦合電容器 C1 的電流波形
圖 8：CCM 中的 SEPIC 二極管 D1 電壓波形	圖 9：CCM 中的 SEPIC 二極管 D1 電流波形
圖 10：CCM 中的 SEPIC 電感 L2 電壓波形	圖 11：CCM 中的 SEPIC 電感 L2 電流波形

3.Zeta轉(zhuǎn)換器

Zeta 拓撲可以升高和降低其輸入電壓。當(dāng)開關(guān) Q1 導(dǎo)通時，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出。圖 12 顯示了非同步 Zeta 轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖 12：非同步 Zeta 轉(zhuǎn)換器原理圖

公式 6 計算 CCM 中的占空比為：

公式 7 計算最大 MOSFET 應(yīng)力為：

公式 8 給出了最大二極管應(yīng)力為：

其中 V in是輸入電壓，V out是輸出電壓，V f是二極管正向電壓，V C1,ripple是耦合電容器兩端的電壓紋波。

Zeta 轉(zhuǎn)換器中的 LC 濾波器 L2/Co 指向輸出。因此，輸出紋波比輸入紋波小，因為輸出電流是連續(xù)的，輸入電流是脈沖的。我建議對非常敏感的負載使用 Zeta 拓撲，因為 SEPIC 或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波較高，因此不適合這些負載。與 SEPIC 相比，Zeta 拓撲在成本和組件數(shù)量方面具有與降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相同的優(yōu)勢。

我們可以使用降壓控制器或轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建 Zeta 轉(zhuǎn)換器；我們將需要一個 P 溝道 MOSFET 或高端 MOSFET 驅(qū)動器。

Zeta 轉(zhuǎn)換器沒有 RHPZ，因為控制器可以立即對輸出的變化做出反應(yīng)。因此，我們可以使用 Zeta 轉(zhuǎn)換器獲得比 SEPIC 或升降壓轉(zhuǎn)換器更高的帶寬，同時使用更少的輸出電容。

圖 13 至 22 顯示了非同步 Zeta 轉(zhuǎn)換器中 FET Q1、電感器 L1、耦合電容器 C1、二極管 D1 和電感器 L2 的 CCM 電壓和電流波形。

圖 13：CCM 中的 Zeta FET Q1 電壓波形	圖 14：CCM 中的 Zeta FET Q1 電流波形
圖 15：CCM 中的 Zeta 電感 L1 電壓波形	圖 16：CCM 中的 Zeta 電感 L1 電流波形
圖 17：CCM 中 Zeta 耦合電容器 C1 的電壓波形	圖 18：CCM 中 Zeta 耦合電容器 C1 的電流波形
圖 19：CCM 中的 Zeta 二極管 D1 電壓波形	圖 20：CCM 中的 Zeta 二極管 D1 電流波形
圖 21：CCM 中的 Zeta 電感 L2 電壓波形	圖 22：CCM 中的 Zeta 電感 L2 電流波形

對于這兩種拓撲，使用耦合電感代替兩個單獨的電感有兩個優(yōu)點。第一個優(yōu)點是類似的電流紋波（與兩個電感器解決方案相比）只需要一半的電感，因為通過耦合繞組來消除紋波。第二個優(yōu)點是可以消除兩個電感和耦合電容引起的傳遞函數(shù)中的諧振。我們通常需要使用與耦合電容 C1 并聯(lián)的電阻-電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)來抑制這種諧振。

使用耦合電感的一個缺點是我們必須對兩個電感使用相同的電感值。另一個限制通常是它們的當(dāng)前額定值。對于具有高輸出電流的應(yīng)用，我們可能需要改用單個電感器。

我們可以將這兩種拓撲配置為具有同步整流的轉(zhuǎn)換器。但如果這樣做，我們需要交流耦合高端柵極驅(qū)動信號，因為許多控制器要求我們將它們連接到開關(guān)節(jié)點。兩種拓撲均具有兩個開關(guān)節(jié)點，因此請注意避免開關(guān)引腳上出現(xiàn)負額定電壓違規(guī)。