ZHCACE6 应用简报 | 德州仪器 TI.com.cn

ZHCACE6 march 2023

本应用简报介绍了单端初级电感转换器 (SEPIC) 和 Zeta 转换器。这两种拓扑都可以作为功率范围高达 25W 的降压/升压转换器具有成本效益的替代品。

SEPIC

SEPIC 拓扑可升高和降低输入电压。当开关 Q1 不导通时，能量从输入端转移到输出端。图 1 展示了非同步 SEPIC 的原理图。

图 1 非同步 SEPIC 原理图

方程式 1 计算连续导通模式 (CCM) 下的占空比：

方程式 1.

D = \frac{V_{O U T} + V_{f}}{V_{O U T} + V_{f} + V_{I N}}

方程式 2 计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 应力：

方程式 2.

V_{Q 1} = {V_{I N} + V}_{O U T} {+ V}_{f} + \frac{V_{C 1 ： r i p p l e}}{2}

方程式 3 计算最大二极管应力：

方程式 3.

V_{D 1} = {V_{I N} + V}_{O U T} + \frac{V_{C 1 ： r i p p l e}}{2}

其中

V_IN 是输入电压
V_OUT 是输出电压
V_ƒ 是二极管正向电压
V_C1,ripple 是耦合电容器两端的电压纹波

电感器-电容器 (LC) 滤波器 L1 和 Ci 指向 SEPIC 的输入。由于电流连续流动，这会导致输入端的纹波更小。在输出端，由于存在脉冲输出电流，因此纹波更大。

由于非同步 SEPIC 只需要一个栅极驱动器（而与之相比，双开关降压/升压转换器需要两个栅极驱动器）和两个半导体组件（而不是四个），因此它的成本低于降压/升压拓扑。SEPIC 相对于降压/升压拓扑的另一项优势是，当由于 SEPIC 存在连续输入电流，两个转换器都以降压模式运行时，它具有更好的电磁干扰 (EMI) 行为。

由于需要在低侧驱动 MOSFET Q1，因此使用升压控制器可轻松构建 SEPIC。

右半平面零点 (RHPZ) 是 SEPIC 可达到的调节带宽的限制因素。最大带宽约为 RHPZ 频率的五分之一。方程式 4 计算 SEPIC 传递函数的单个 RHPZ 频率的估算值：

方程式 4.

f_{R H P Z} = \frac{V_{O U T} \times {(1 - D)}^{2}}{2 \times π \times {D^{2} \times L}_{2} \times I_{O U T}}

因此，求解方程式 5 中的 s 得到一两个 RHPZ：

方程式 5.

1 - s \times \frac{C_{1} \times (L_{1} + L_{2}) \times \frac{V_{O U T}}{I_{O U T}}}{L_{1}} \times \frac{{(1 - D)}^{2}}{D^{2}} + s^{2} \times \frac{L_{2} \times C_{1}}{D} = 0

其中

V_OUT 是输出电压
D 为占空比
I_OUT 是输出电流
L₁ 是电感器 L1 的电感
L₂ 是电感器 L2 的电感
C₁ 是耦合电容器 C1 的电容，s 是复数频率变量

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

图 2 CCM 下的 SEPIC FET Q1 电压波形

图 4 CCM 下的 SEPIC 电感器 L1 电压波形

图 6 CCM 下的 SEPIC 耦合电容器 C1 电压波形

图 8 CCM 下的 SEPIC 二极管 D1 电压波形

图 10 CCM 下的 SEPIC 电感器 L2 电压波形

图 3 CCM 下的 SEPIC FET Q1 电流波形

图 5 CCM 下的 SEPIC 电感器 L1 电流波形

图 7 CCM 下的 SEPIC 耦合电容器 C1 电流波形

图 9 CCM 下的 SEPIC 二极管 D1 电流波形

图 11 CCM 下的 SEPIC 电感器 L2 电流波形

Zeta 转换器

Zeta 拓扑可升高和降低输入电压。当开关 Q1 导通时，能量从输入端转移到输出端。图 12 展示了非同步 Zeta 转换器的原理图。

图 12 非同步 Zeta 转换器原理图

方程式 6 计算 CCM 下的占空比：

方程式 6.

D = \frac{V_{O U T} + V_{f}}{V_{O U T} + V_{f} + V_{I N}}

方程式 7 计算最大 MOSFET 应力：

方程式 7.

V_{Q 1} = {V_{I N} + V}_{O U T} {+ V}_{f} + \frac{V_{C 1 ： r i p p l e}}{2}

方程式 8 计算最大二极管应力：

方程式 8.

V_{D 1} = {V_{I N} + V}_{O U T} + \frac{V_{C 1 ： r i p p l e}}{2}

其中

V_IN 是输入电压
V_OUT 是输出电压
V_ƒ 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 和 Co 指向输出。由于输出电流是连续的，而输入电流是脉冲的，因此，与输入纹波相比，输出纹波更小。由于 SEPIC 或降压/升压转换器的输出纹波较高，因此不适合，建议为非常敏感的负载使用 Zeta 拓扑。与降压/升压转换器相比，Zeta 拓扑在成本和组件数量方面具有与 SEPIC 相同的优势。

可以使用降压控制器或转换器构建 Zeta 转换器；需要 P 沟道 MOSFET 或高侧 MOSFET 驱动器。

由于控制器可以立即对输出端的变化作出反应，因此 Zeta 转换器没有 RHPZ。因此，与 SEPIC 或降压/升压转换器相比，使用 Zeta 转换器可实现更高的带宽，同时使用更小的输出电容。

图 13 至图 22 展示了非同步 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 在 CCM 下的电压和电流波形。

图 13 CCM 下的 Zeta FET Q1 电压波形

图 15 CCM 下的 Zeta 电感器 L1 电压波形

图 17 CCM 下的 Zeta 耦合电容器 C1 电压波形

图 19 CCM 下的 Zeta 二极管 D1 电压波形

图 21 CCM 下的 Zeta 电感器 L2 电压波形

图 14 CCM 下的 Zeta FET Q1 电流波形

图 16 CCM 下的 Zeta 电感器 L1 电流波形

图 18 CCM 下的 Zeta 耦合电容器 C1 电流波形

图 20 CCM 下的 Zeta 二极管 D1 电流波形

图 22 CCM 下的 Zeta 电感器 L2 电流波形

对于这两种拓扑，使用耦合电感器代替两个单独的电感器有两个优势。第一个优势是，由于通过耦合绕组来消除纹波，因此类似的电流纹波（与双电感器设计相比）只需要一半的电感。第二个优势是，可以消除由两个电感器和耦合电容器引起的传递函数谐振。如果需要，使用与耦合电容器 C1 并联的电阻器-电容器 (RC) 网络来抑制这种谐振。

使用耦合电感器的一个缺点是两个电感器必须使用相同的电感值。另一项限制通常是它们的电流额定值。具有高输出电流的应用有时可能需要单个电感器。

可以将两种拓扑配置为具有同步整流功能的转换器。但是，如果使用此方法，则必须对高侧栅极驱动信号进行交流耦合，因为许多控制器需要将其连接到开关节点。两种拓扑都有两个开关节点，请注意避免在开关引脚上出现负电压额定值违例。同步 SEPIC 和同步 Zeta 转换器的两个示例分别是 12V@5A 同步 SEPIC 转换器参考设计 和具有两个电感器的 40W 同步 Zeta 转换器参考设计。

附加资源

观看以下 TI 培训视频：
- 拓扑教程：什么是 SEPIC 拓扑？
- 拓扑教程：什么是 Zeta 转换器？
阅读这些模拟应用期刊文章：
- 耦合电感器 SEPIC 转换器的优势
- 基于 ZETA 拓扑设计直流/直流转换器
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下载电源拓扑手册和电源拓扑快速参考指南。