如何进行电源设计——第 4 部分

1.前言

在本系列的前几期中，我重点介绍了规格、传输比和基本额定功率，以及降压、升压和降压-升压拓扑。在本期中，我将介绍单端初级电感转换器 (SEPIC) 和 Zeta 转换器。在高达 25W 的功率范围内，这两种拓扑结构都可以成为降压-升压转换器的经济高效的替代方案。

2.SEPIC

SEPIC 拓扑可以升高和降低其输入电压。当开关 Q1 不导通时，能量从输入转移到输出。图 1 显示了非同步 SEPIC 的原理图。

图 1：非同步 SEPIC 示意图

公式 1 计算连续导通模式 (CCM) 下的占空比为：

公式 2 计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 应力为：

公式 3 给出了最大二极管应力为：

其中 V in是输入电压，V out是输出电压，V f是二极管正向电压，V C1,ripple是耦合电容器两端的电压纹波。

电感电容 (LC) 滤波器 L1/Ci 指向 SEPIC 的输入。由于持续的电流流动，这会导致输入端出现较小的纹波。在输出端，纹波更大，因为存在脉冲输出电流。

非同步 SEPIC 的成本低于降压-升压拓扑，因为我们只需要一个栅极驱动器（相比之下，双开关降压-升压转换器需要两个）和两个半导体组件（而不是四个）。SEPIC 与降压-升压拓扑相比的另一个优势是，当两个转换器均以降压模式运行时，由于 SEPIC 的连续输入电流，其电磁干扰 (EMI) 行为更好。

我们可以使用升压控制器轻松构建 SEPIC，因为 MOSFET Q1 需要在低侧驱动。

右半平面零 (RHPZ) 是 SEPIC 可实现的调节带宽的限制因素。最大带宽大约是 RHPZ 频率的五分之一。公式 4 计算 SEPIC 传递函数的单个 RHPZ 频率的估计值：

为 s 求解方程 5 将得到一个或两个以上的 RHPZ(s)：

其中 V out是输出电压，D 是占空比，I out是输出电流，L 1是电感 L1 的电感，L 2是电感 L2 的电感，C 1是耦合电容 C1 和 s 的电容是复频率变量。

图 2 至图 11 显示了非同步 SEPIC 中 FET Q1、电感器 L1、耦合电容器 C1、二极管 D1 和电感器 L2 的 CCM 电压和电流波形。

图 2：CCM 中的 SEPIC FET Q1 电压波形	图 3：CCM 中的 SEPIC FET Q1 电流波形
图 4：CCM 中的 SEPIC 电感器 L1 电压波形	图 5：CCM 中的 SEPIC 电感器 L1 电流波形
图 6：CCM 中 SEPIC 耦合电容器 C1 的电压波形	图 7：CCM 中 SEPIC 耦合电容器 C1 的电流波形
图 8：CCM 中的 SEPIC 二极管 D1 电压波形	图 9：CCM 中的 SEPIC 二极管 D1 电流波形
图 10：CCM 中的 SEPIC 电感 L2 电压波形	图 11：CCM 中的 SEPIC 电感 L2 电流波形

3.Zeta转换器

Zeta 拓扑可以升高和降低其输入电压。当开关 Q1 导通时，能量从输入转移到输出。图 12 显示了非同步 Zeta 转换器的原理图。

图 12：非同步 Zeta 转换器原理图

公式 6 计算 CCM 中的占空比为：

公式 7 计算最大 MOSFET 应力为：

公式 8 给出了最大二极管应力为：

其中 V in是输入电压，V out是输出电压，V f是二极管正向电压，V C1,ripple是耦合电容器两端的电压纹波。

Zeta 转换器中的 LC 滤波器 L2/Co 指向输出。因此，输出纹波比输入纹波小，因为输出电流是连续的，输入电流是脉冲的。我建议对非常敏感的负载使用 Zeta 拓扑，因为 SEPIC 或降压-升压转换器的输出纹波较高，因此不适合这些负载。与 SEPIC 相比，Zeta 拓扑在成本和组件数量方面具有与降压-升压转换器相同的优势。

我们可以使用降压控制器或转换器来构建 Zeta 转换器；我们将需要一个 P 沟道 MOSFET 或高端 MOSFET 驱动器。

Zeta 转换器没有 RHPZ，因为控制器可以立即对输出的变化做出反应。因此，我们可以使用 Zeta 转换器获得比 SEPIC 或升降压转换器更高的带宽，同时使用更少的输出电容。

图 13 至 22 显示了非同步 Zeta 转换器中 FET Q1、电感器 L1、耦合电容器 C1、二极管 D1 和电感器 L2 的 CCM 电压和电流波形。

图 13：CCM 中的 Zeta FET Q1 电压波形	图 14：CCM 中的 Zeta FET Q1 电流波形
图 15：CCM 中的 Zeta 电感 L1 电压波形	图 16：CCM 中的 Zeta 电感 L1 电流波形
图 17：CCM 中 Zeta 耦合电容器 C1 的电压波形	图 18：CCM 中 Zeta 耦合电容器 C1 的电流波形
图 19：CCM 中的 Zeta 二极管 D1 电压波形	图 20：CCM 中的 Zeta 二极管 D1 电流波形
图 21：CCM 中的 Zeta 电感 L2 电压波形	图 22：CCM 中的 Zeta 电感 L2 电流波形

对于这两种拓扑，使用耦合电感代替两个单独的电感有两个优点。第一个优点是类似的电流纹波（与两个电感器解决方案相比）只需要一半的电感，因为通过耦合绕组来消除纹波。第二个优点是可以消除两个电感和耦合电容引起的传递函数中的谐振。我们通常需要使用与耦合电容 C1 并联的电阻-电容 (RC) 网络来抑制这种谐振。

使用耦合电感的一个缺点是我们必须对两个电感使用相同的电感值。另一个限制通常是它们的当前额定值。对于具有高输出电流的应用，我们可能需要改用单个电感器。

我们可以将这两种拓扑配置为具有同步整流的转换器。但如果这样做，我们需要交流耦合高端栅极驱动信号，因为许多控制器要求我们将它们连接到开关节点。两种拓扑均具有两个开关节点，因此请注意避免开关引脚上出现负额定电压违规。