- 討論耦合電感 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢
- 認(rèn)識耦合電感和非耦合電感的的區(qū)別
- 利用一個耦合電感或者兩個均能實施SEPIC
單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 能夠通過一個大于或者小于調(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、一個簡易控制器和鉗位開關(guān)波形，從而提供低噪聲運行。看是否使用兩個磁繞組，是我們識別 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非耦合電感的單獨繞組。設(shè)計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際差異。本文對每種方法進(jìn)行研究，并討論每種方法對實際 SEPIC 設(shè)計產(chǎn)生的影響。
電路運行
耦合電感的基本 SEPIC。當(dāng)FET (Q1) 開啟時，輸入電壓施加于初級繞組。由于繞組比為 1：1，因此次級繞組也被施加了一個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，兩個繞組的電流為 Q1 到接地，而次級電流流經(jīng) AC 電容。“導(dǎo)通”時間期間總 FET 電流為輸入電流和輸出次級電流的和。
FET 關(guān)閉時，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，次級繞組電壓現(xiàn)在被鉗位至輸出電壓。通過變壓器作用，它對初級繞組的輸出電壓進(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”時間期間，兩個繞組的電流流經(jīng) D1 至輸出端，而初級電流則流經(jīng) AC 電容。
伏-微秒平衡
耦合電感由兩個非耦合電感代替時，電路運行情況類似。要讓電路正確運行，必須在每個磁芯之間維持伏-微秒平衡。也就是說，對于兩個非耦合電感而言，在FET“導(dǎo)通”和“關(guān)閉”時間期間，每個電感電壓和時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繞組一樣。在 FET“導(dǎo)通”時間期間，AC 電容在電感施加一個與輸入電壓相等但極性相反的電勢。每間隔時間，對電感定義電壓進(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) 運行時，可簡單表示為：
FET 導(dǎo)通時，施加于輸入端電感的電壓等于輸入電壓。FET關(guān)閉時，伏-微秒平衡通過鉗位其 VOUT 來維持。記住，F(xiàn)ET 導(dǎo)通時，輸入電壓施加于兩個電感；FET 關(guān)閉時，輸出電壓施加于兩個電感。兩個非耦合電感 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。
兩個還是一個？
如果 SEPIC 類型之間確實存在少許的電路運行差異的話，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于使用兩個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)計人員面前的一個難題。如果他們選擇設(shè)計其自己的電感，則必須規(guī)定所有相關(guān)電參數(shù)，并且必須面對更長的交貨時間問題。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，以實施伏-微秒平衡。選擇使用兩個單獨的非耦合電感，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算過程。
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實例設(shè)計
“表 1”所示規(guī)范為設(shè)計比較的基礎(chǔ)。第一個設(shè)計使用一個耦合電感，而第二個則使用兩個非耦合電感。
使用一個耦合電感的設(shè)計是典型的 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)計特別具有挑戰(zhàn)性，因為現(xiàn)貨電感選擇范圍有限。因此，我們指定并設(shè)計了 Renco 自定義電感。該電感纏繞在一個分離式線軸上以產(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)生這些損耗的因為，施加在漏電感的 AC 電容紋波電壓。若想實施低功耗設(shè)計，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，設(shè)計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算所需的全部信息。錯誤的計算結(jié)果，會大大增加鐵芯溫度，使其超出典型的 40°C 溫升。它還會降低效率，并且加速過早失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。
表 1 原型 SEPIC 電氣規(guī)范
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參數(shù)
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規(guī)范
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輸入電壓
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8到32V
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輸出電壓
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16V
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最大輸出電流
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4A
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紋波
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1%
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最小效率（最大負(fù)載）
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91%
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圖 2 使用耦合電感的 SEPIC（4A 時 16V）
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正如預(yù)計的那樣，兩個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)計的控制環(huán)路相當(dāng)良性，而非耦合電感設(shè)計則在最初時候出現(xiàn)不穩(wěn)定。環(huán)路增益測量表明，高 Q、低頻諧振是罪魁禍?zhǔn)祝湟筇砑右粋€ R/C 阻尼濾波器與 AC 電容并聯(lián)。極大簡化時，諧振頻率似乎約為：
圖 3 SEPIC 原型
圖 4 顯示了兩種電路的測量效率。我們可以看到，耦合電感設(shè)計的效率增加多達(dá) 0.5%。這可能是由于耦合電感設(shè)計的總鐵芯損耗更低，因為其 DC 接線損耗實際高于使用非耦合電感的設(shè)計。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，但其會導(dǎo)致更大的面積。
結(jié)論
利用一個耦合電感或者兩個非耦合電感，均能成功實施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買到，且尺寸更小。如果產(chǎn)品上市場時間至關(guān)重要，則非耦合電感可為設(shè)計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
