耦合電感拓展了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

引言
    最近，電感廠商紛紛開始發(fā)布批量生產(chǎn)的耦合電感。耦合電感由兩個纏繞在同一磁芯上的單獨電感組成，其封裝與單電感在長寬尺寸上相似，只會稍微高一點，但可以產(chǎn)生相同的電感值。耦合電感的價格一般也會比兩個單電感的價格低。耦合電感的繞組可以為串聯(lián)、并聯(lián)，也可以作為一個變壓器。本文重點介紹利用耦合電感滿足常見應(yīng)用需求的四種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)。

徹底了解耦合電感的各種規(guī)范，是充分利用它們所具有優(yōu)勢的一個基本要求。大多數(shù)耦合電感都具有相同的匝數(shù)—即 1：1 匝數(shù)比—但有些更新的耦合電感擁有更高的匝數(shù)比。耦合電感的耦合系數(shù) K 一般約為 0.95，遠低于自定義變壓器至少為 0.99 的系數(shù)。耦合電感的互感系數(shù)讓其在一些回描應(yīng)用中顯得有些沒有效率，同時還會引起非理想（例如：圓形而非三角形）電感波形。另外，根據(jù)其繞組實際為串聯(lián)還是并聯(lián)，耦合電感的電流規(guī)格也不同。例如，繞組為串聯(lián)時，等效電感就會因為互感而超過額定電感的2倍。飽和及 RMS 電流額定值一定適用于同時流過兩個繞組的電流，除非產(chǎn)品說明書中另有說明。理解這些規(guī)范以后，我們便可以對現(xiàn)實應(yīng)用中的一些耦合電感例子進行研究。

更小尺寸且更高效的 SEPIC
    盡管DC/DC單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 拓撲不是什么新東西，但的確直到最近它才開始流行起來，然而，對于能夠?qū)Ω叩洼斎腚妷褐g的輸出電壓（例如：12V未校準插墻式電源）進行調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器需求一直都存在。雖然我們可以將任何升壓轉(zhuǎn)換器/控制器配置為一個 SEPIC，但其在最近才得到普遍的使用。兩個因素促進了 SEPIC 的人氣大增：(1) IC 制造廠商已經(jīng)開始制造更多具有電流模式控制功能的升壓控制器，旨在簡化補償；(2) 電感制造廠商已經(jīng)開始制造許多可以最小化轉(zhuǎn)換器總 PCB 體積的單封裝耦合電感。改用耦合電感以后，許多具有兩個單獨電感應(yīng)用的電源體積可以縮減三分之一。圖 1 顯示了使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的一個 SEPIC。

圖 1 使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的 SEPIC

更吸引人的是，使用一個 1：1 耦合電感的 SEPIC 可迫使電感紋波電流在兩個繞組之間分開，從而允許使用兩個單獨電感要求電感的一半，產(chǎn)生相同的紋波電流。相對于相同尺寸封裝中雙倍電感值的兩個單獨電感，耦合電感具有更低的 DC電阻，有助于提高總轉(zhuǎn)換器效率。特別是15-V 輸入和 12-V、325-mA 輸出時，圖 1 所示 SEPIC 的效率超出 91%。

更小尺寸的 ZETA 轉(zhuǎn)換器
    由于使用了兩個電感和一個耦合電容，ZETA 轉(zhuǎn)換器擁有與 SEPIC 一樣的升壓降壓功能，但使用的是一個降壓控制器而非升壓控制器。圖 2 顯示了 ZETA 結(jié)構(gòu)中所使用的 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74。與 SEPIC 一樣，得益于分離電感紋波電流，這種 ZETA 轉(zhuǎn)換器只要求一半的電感就能得到相同的紋波電流。同樣類似的，其總體電源體積比使用兩個單獨電感小三分之一。由于輸出電感電流不斷經(jīng)過 ZETA 轉(zhuǎn)換器輸出，ZETA 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓具有比相同電感的 SEPIC 更低的紋波。因此，相比 SEPIC，ZETA 可能更適合于低噪聲應(yīng)用。

圖 2 使用 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74 的 ZETA 轉(zhuǎn)換器
 

分離軌電源
    匹配正負電源軌是許多工業(yè)應(yīng)用的常見要求，對放大器而言更是如此。我們可以對寬輸入范圍降壓轉(zhuǎn)換器進行配置，以提供負輸出電壓。使用一個耦合電感代替這種反相降壓轉(zhuǎn)換器的電感，并增加一個二極管和電容器，便可將這種反相降壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)橐粋€雙輸出的轉(zhuǎn)換器。圖 3 顯示了以這種方法使用的 TI TPS54160 和 Coilcraft 150-μH MSD1260。只要每個軌的負載稍有接近，我們就對每個軌之間的差異進行調(diào)節(jié)而非單獨調(diào)節(jié)每個軌，但耦合電感卻可以幫助提供對每個軌進行調(diào)節(jié)。

圖 3 使用 TI TPS54160 和 Coilcraft MSD1260 的分離軌降壓轉(zhuǎn)換器

更高的輸出電壓
    集成 FET 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓受限于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流額定值。將一個 1：1 以上匝比的耦合電感連接至轉(zhuǎn)換器的開關(guān) (SW) 引腳，可以擴展所有升壓轉(zhuǎn)換器的有效輸出電壓范圍。例如，圖 4 顯示了 30-V 絕對最大電流額定值的 TI TPS61040 升壓轉(zhuǎn)換器，其作用是提供 35V 或更高的電壓，同時還顯示了一個 1：2 耦合電感 Coilcraft LPR4012-103B。耦合電感結(jié)構(gòu)多繞組端與二極管串聯(lián)時，單繞線電感——以及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器開關(guān) FET—電壓只有輸出電壓的三分之一，即負輸入電壓。

圖 4 具有更大輸出電壓范圍的 TI TPS61040 和 Coilcraft LPR4012-103B

結(jié)論：
    大多數(shù)電感制造商都會有一系列匝數(shù)比為1：1或更高的耦合電感。所以，發(fā)散一下思維吧，耦合電感會把應(yīng)用空間拓展到可喜的DC/DC轉(zhuǎn)換器IC領(lǐng)域。