如何進(jìn)行電源設(shè)計(jì)——第 4 部分

1.前言

在本系列的前幾期中，我重點(diǎn)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?fù)洹?/span>在本期中，我將介紹單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 和 Zeta 轉(zhuǎn)換器。在高達(dá) 25W 的功率范圍內(nèi)，這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以成為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。

2.SEPIC

SEPIC 拓?fù)淇梢陨吆徒档推漭斎腚妷骸．?dāng)開(kāi)關(guān) Q1 不導(dǎo)通時(shí)，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(jì)算連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下的占空比為：

公式 2 計(jì)算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)較小的紋波。在輸出端，紋波更大，因?yàn)榇嬖诿}沖輸出電流。

非同步 SEPIC 的成本低于降壓-升壓拓?fù)?，因?yàn)?span>我們只需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器（相比之下，雙開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器需要兩個(gè)）和兩個(gè)半導(dǎo)體組件（而不是四個(gè)）。SEPIC 與降壓-升壓拓?fù)湎啾鹊牧硪粋€(gè)優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器均以降壓模式運(yùn)行時(shí)，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?yàn)?MOSFET Q1 需要在低側(cè)驅(qū)動(dòng)。

右半平面零 (RHPZ) 是 SEPIC 可實(shí)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(jì)算 SEPIC 傳遞函數(shù)的單個(gè) RHPZ 頻率的估計(jì)值：

為 s 求解方程 5 將得到一個(gè)或兩個(gè)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?fù)淇梢陨吆徒档推漭斎腚妷?。?dāng)開(kāi)關(guān) Q1 導(dǎo)通時(shí)，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(jì)算 CCM 中的占空比為：

公式 7 計(jì)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?yàn)檩敵鲭娏魇沁B續(xù)的，輸入電流是脈沖的。我建議對(duì)非常敏感的負(fù)載使用 Zeta 拓?fù)?，因?yàn)?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(fù)載。與 SEPIC 相比，Zeta 拓?fù)湓诔杀竞徒M件數(shù)量方面具有與降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相同的優(yōu)勢(shì)。

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

Zeta 轉(zhuǎn)換器沒(méi)有 RHPZ，因?yàn)榭刂破骺梢粤⒓磳?duì)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(shí)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(duì)于這兩種拓?fù)?，使用耦合電感代替兩個(gè)單獨(dú)的電感有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是類(lèi)似的電流紋波（與兩個(gè)電感器解決方案相比）只需要一半的電感，因?yàn)橥ㄟ^(guò)耦合繞組來(lái)消除紋波。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以消除兩個(gè)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(lái)抑制這種諧振。

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

我們可以將這兩種拓?fù)渑渲脼榫哂型秸鞯霓D(zhuǎn)換器。但如果這樣做，我們需要交流耦合高端柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因?yàn)樵S多控制器要求我們將它們連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。兩種拓?fù)渚哂袃蓚€(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此請(qǐng)注意避免開(kāi)關(guān)引腳上出現(xiàn)負(fù)額定電壓違規(guī)。