耦合電感 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 能夠通過一個(gè)大于或者小于調(diào)節(jié)輸出電壓的輸入電壓工作。除能夠起到一個(gè)降壓及升壓轉(zhuǎn)換器的作用以外，SEPIC 還具有最少的有源組件、一個(gè)簡(jiǎn)易控制器和鉗位開關(guān)波形，從而提供低噪聲運(yùn)行?？词欠袷褂脙蓚€(gè)磁繞組，是我們識(shí)別 SEPIC 的一般方法。這些繞組可繞于共用鐵芯上，其與耦合雙繞組電感的情況一樣，或者它們也可以是兩個(gè)非耦合電感的單獨(dú)繞組。設(shè)計(jì)人員通常不確定哪一種方法最佳，以及兩種方法之間是否存在實(shí)際差異。本文對(duì)每種方法進(jìn)行研究，并討論每種方法對(duì)實(shí)際 SEPIC 設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。

電路運(yùn)行
圖 1 顯示了耦合電感的基本 SEPIC。當(dāng)FET (Q1) 開啟時(shí)，輸入電壓施加于初級(jí)繞組。由于繞組比為 1：1，因此次級(jí)繞組也被施加了一個(gè)與輸入電壓相等的電壓；但是，由于繞組的極性，整流器 (D1) 的陽(yáng)極被拉負(fù)，并被反向偏置。整流器偏頗關(guān)閉，要求輸出電容在這種“導(dǎo)通”時(shí)間期間支持負(fù)載，從而強(qiáng)迫 AC電容 (CAC) 充電至輸入電壓。Q1 開啟時(shí)，兩個(gè)繞組的電流為 Q1 到接地，而次級(jí)電流流經(jīng) AC 電容。“導(dǎo)通”時(shí)間期間總 FET 電流為輸入電流和輸出次級(jí)電流的和。

FET 關(guān)閉時(shí)，繞組的電壓反向極性，以維持電流。整流器導(dǎo)電向輸出端提供電流時(shí)，次級(jí)繞組電壓現(xiàn)在被鉗位至輸出電壓。通過變壓器作用，它對(duì)初級(jí)繞組的輸出電壓進(jìn)行鉗位。FET 的漏極電壓被鉗位至輸入電壓加輸出電壓。FET“關(guān)閉”時(shí)間期間，兩個(gè)繞組的電流流經(jīng) D1 至輸出端，而初級(jí)電流則流經(jīng) AC 電容。

伏-微秒平衡
耦合電感由兩個(gè)非耦合電感代替時(shí)，電路運(yùn)行情況類似。要讓電路正確運(yùn)行，必須在每個(gè)磁芯之間維持伏-微秒平衡。也就是說，對(duì)于兩個(gè)非耦合電感而言，在FET“導(dǎo)通”和“關(guān)閉”時(shí)間期間，每個(gè)電感電壓和時(shí)間的積必須大小相等，而極性相反。通過代數(shù)方法表明，非耦合電感的 AC 電容電壓也被充電至輸入電壓。在 FET“關(guān)閉”時(shí)間期間，輸出端電感被鉗位至輸出電壓，其與耦合電感的次級(jí)繞組一樣。在 FET“導(dǎo)通”時(shí)間期間，AC 電容在電感施加一個(gè)與輸入電壓相等但極性相反的電勢(shì)。每間隔時(shí)間，對(duì)電感定義電壓進(jìn)行鉗位，這樣伏-微秒平衡便決定了占空比 (D) 的大小。其在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 運(yùn)行時(shí)，可簡(jiǎn)單表示為：
 
FET 導(dǎo)通時(shí)，施加于輸入端電感的電壓等于輸入電壓。FET關(guān)閉時(shí)，伏-微秒平衡通過鉗位其 VOUT 來維持。記住，F(xiàn)ET 導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓施加于兩個(gè)電感；FET 關(guān)閉時(shí)，輸出電壓施加于兩個(gè)電感。兩個(gè)非耦合電感 SEPIC 的電壓和電流波形，與耦合電感版本的情況非常類似，以至于很難分辨它們。

兩個(gè)還是一個(gè)？
如果 SEPIC 類型之間確實(shí)存在少許的電路運(yùn)行差異的話，那么我們應(yīng)該使用哪一種呢？我們通常選擇使用耦合電感，是因其更少的組件數(shù)目、更佳的集成度以及相對(duì)于使用兩個(gè)單電感而言更低的電感要求。然而，高功率現(xiàn)貨耦合電感有限的選擇范圍，成為擺在廣大電源設(shè)計(jì)人員面前的一個(gè)難題。如果他們選擇設(shè)計(jì)其自己的電感，則必須規(guī)定所有相關(guān)電參數(shù)，并且必須面對(duì)更長(zhǎng)的交貨時(shí)間問題。耦合電感 SEPIC 可受益于漏電感，其可降低 AC 電流損耗。耦合電感必須具有 1：1 的匝數(shù)比，以實(shí)施伏-微秒平衡。選擇使用兩個(gè)單獨(dú)的非耦合電感，一般可以更廣泛地選擇許多現(xiàn)貨組件。由于并不要求每個(gè)電感的電流和電感完全相等，因此可以選擇使用不同的組件尺寸，從而帶來更大的靈活性。

方程式 1 到 3 表明了耦合電感和非耦合電感的電感計(jì)算過程。
 

方程式計(jì)算得到最大輸入電壓和最小負(fù)載時(shí) CCM 運(yùn)行所需的最小電感。50% 占空比運(yùn)行（VIN 等于 VOUT 時(shí)出現(xiàn)）和統(tǒng)一效率條件下，比較這些方程式可知，方程式 1 中耦合電感的計(jì)算值是非耦合電感計(jì)算值的兩倍。由于轉(zhuǎn)換器肯定會(huì)有損耗，而大多數(shù)輸入電壓源均有很大不同，因此這種簡(jiǎn)化了的電感泛化一般為錯(cuò)誤的；但它通常足以應(yīng)付除極端情況以外的所有情況。它一般意味著，轉(zhuǎn)換器會(huì)比預(yù)期稍快一點(diǎn)進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 運(yùn)行，其在大多數(shù)情況下仍然可以接受。如前所述，使用非耦合電感時(shí)，正如我們通常假設(shè)的那樣，無需輸出端電感的值與輸入端電感一樣；但是為了簡(jiǎn)單起見肯定會(huì)這樣做。利用 VOUT/VIN 調(diào)節(jié)輸入端電感，便可確定輸出端電感值。使用更小值輸出端電感的好處是，它一般尺寸更小而且成本更低。

實(shí)例設(shè)計(jì)
“表 1”所示規(guī)范為設(shè)計(jì)比較的基礎(chǔ)。第一個(gè)設(shè)計(jì)使用一個(gè)耦合電感，而第二個(gè)則使用兩個(gè)非耦合電感。

使用一個(gè)耦合電感的設(shè)計(jì)是典型的 64W 輸出功率車載輸入電壓范圍。方程式1表明，耦合電感要求 12 µH 的電感，以及 13 A 的組合電流額定值（基于 IIN + IOUT）。這種設(shè)計(jì)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楝F(xiàn)貨電感選擇范圍有限。因此，我們指定并設(shè)計(jì)了 Renco 自定義電感。該電感纏繞在一個(gè)分離式線軸上以產(chǎn)生漏電感，旨在最小化能夠引起損耗的循環(huán) AC 電流。產(chǎn)生這些損耗的因?yàn)椋┘釉诼╇姼械?AC 電容紋波電壓。若想實(shí)施低功耗設(shè)計(jì)，Coilcraft（MSS1278 系列）和Coiltronics（DRQ74/127 系列）的耦合電感均是較好的現(xiàn)貨產(chǎn)品。
就非耦合電感設(shè)計(jì)而言，33-µH Coilcraft SER2918用于L1，而22-µH Coiltronics HC9 則用于 L2。它們的選擇均基于繞組電阻、額定電流和尺寸。選擇電感時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須注意還要考慮鐵芯和 AC 繞組損耗。這些損耗可降低電感的有效DC電流，但并非所有廠商都提供計(jì)算所需的全部信息。錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，會(huì)大大增加鐵芯溫度，使其超出典型的 40°C 溫升。它還會(huì)降低效率，并且加速過早失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖 2 使用耦合電感的 SEPIC（4A 時(shí) 16V）
 
圖 2 顯示了使用一個(gè)耦合電感的原型 SEPIC的 示意圖。若想在設(shè)計(jì)中實(shí)施非耦合電感，只需在相同 PWB 上用兩個(gè)電感替換耦合電感便可。圖 3 顯示了兩種原型電路。圖 3b 中，L1 占用了耦合電感的空間，而 L2 則位于右上角。

正如預(yù)計(jì)的那樣，兩個(gè)電路以一種近乎完全一樣的方式工作，且開關(guān)電壓和電流波形實(shí)質(zhì)相同。但在性能方面存在一些重要的差異。耦合電感設(shè)計(jì)的控制環(huán)路相當(dāng)良性，而非耦合電感設(shè)計(jì)則在最初時(shí)候出現(xiàn)不穩(wěn)定。環(huán)路增益測(cè)量表明，高 Q、低頻諧振是罪魁禍?zhǔn)?，其要求添加一個(gè) R/C 阻尼濾波器與 AC 電容并聯(lián)。極大簡(jiǎn)化時(shí)，諧振頻率似乎約為：
 

圖 3 SEPIC 原型
 
SEPIC 電路具有非常復(fù)雜的控制環(huán)路特性，同時(shí)由于分析結(jié)果的解釋一般較為困難，因此必需使用一些數(shù)學(xué)工具來進(jìn)行具體分析。添加這種 R/C 阻尼濾波器（220 µF/2Ω）會(huì)增加成本、電路面積和損耗。相比一個(gè)單耦合電感，使用兩個(gè)非耦合電感會(huì)使面積增加 10%。

圖 4 顯示了兩種電路的測(cè)量效率。我們可以看到，耦合電感設(shè)計(jì)的效率增加多達(dá) 0.5%。這可能是由于耦合電感設(shè)計(jì)的總鐵芯損耗更低，因?yàn)槠?DC 接線損耗實(shí)際高于使用非耦合電感的設(shè)計(jì)。L2  使用一種粉狀鐵芯材料，其往往具有比L1 和自定義 Renco 耦合電感所用鐵氧體材料更高的損耗。盡管使用了 L2 的鐵氧體材料，但其會(huì)導(dǎo)致更大的面積。

結(jié)論
利用一個(gè)耦合電感或者兩個(gè)非耦合電感，均能成功實(shí)施SEPIC。更高的效率、更小的電路面積以及更良性的控制環(huán)路特性，這些都是使用正確纏繞的自定義耦合電感時(shí)原型硬件所帶來的好處。自定義組件沒有現(xiàn)貨器件那么理想，而許多耦合電感隨處可以購(gòu)買到，且尺寸更小。如果產(chǎn)品上市場(chǎng)時(shí)間至關(guān)重要，則非耦合電感可為設(shè)計(jì)人員帶來更大的靈活性。

圖 4 耦合和非耦合電感均獲得了較好的效率