• Menu
  • Product
  • Email
  • PDF
  • Order now
  • 如何进行电源设计 – 第 4 部分

    • ZHCACE6 march   2023

       

  • CONTENTS
  • SEARCH
  • 如何进行电源设计 – 第 4 部分
  1.   1
  2. 重要声明
search No matches found.
  • Full reading width
    • Full reading width
    • Comfortable reading width
    • Expanded reading width
  • Card for each section
  • Card with all content
APPLICATION BRIEF

如何进行电源设计 – 第 4 部分

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

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。


GUID-20230314-SS0I-VDRQ-G8CD-VNCWJFJ2FLK8-low.svg

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=VOUT+VfVOUT+Vf+VIN

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. :VQ1=VIN+VOUT+Vf+VC1:ripple2

方程式 3 计算最大二极管应力:

方程式 3. :VD1=VIN+VOUT+VC1:ripple2

其中

  • VIN 是输入电压
  • VOUT 是输出电压
  • Vƒ 是二极管正向电压
  • VC1,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. fRHPZ=VOUT×1-D22×π×D2×L2×IOUT

因此,求解方程式 5 中的 s 得到一两个 RHPZ:

方程式 5. 1-s×C1×L1+L2×VOUTIOUTL1×1-D2D2+s2×L2×C1D=0

其中

  • VOUT 是输出电压
  • D 为占空比
  • IOUT 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。


GUID-20230206-SS0I-VXR0-MLBX-TKXNB2DVNHPQ-low.png

图 2 CCM 下的 SEPIC FET Q1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-LL20-VRBL-8HKCQPHJ1CZW-low.png

图 4 CCM 下的 SEPIC 电感器 L1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-NMJK-TZMD-SBGM2RMWMWH9-low.png

图 6 CCM 下的 SEPIC 耦合电容器 C1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-F0VZ-23S1-XKLN0P2LVQZP-low.png

图 8 CCM 下的 SEPIC 二极管 D1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-BTT5-QD67-DZ9TWQDGCTJS-low.png

图 10 CCM 下的 SEPIC 电感器 L2 电压波形

GUID-20230206-SS0I-CVBG-RNLG-ZBHGJFBDMBWP-low.png

图 3 CCM 下的 SEPIC FET Q1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-W8G2-RDD2-VR3ZWNJ3MT6P-low.png

图 5 CCM 下的 SEPIC 电感器 L1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-XJBR-9XCR-QR1Z93R2MSW3-low.png

图 7 CCM 下的 SEPIC 耦合电容器 C1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-WXR2-LZNB-CB0RTQJV8F0N-low.png

图 9 CCM 下的 SEPIC 二极管 D1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-QZPV-Q44D-X4LSTXGFGBRV-low.png

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。


GUID-20230314-SS0I-NFH4-Q2FK-9VQPXQZZCKPM-low.svg

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=VOUT+VfVOUT+Vf+VIN

方程式 7 计算最大 MOSFET 应力:

方程式 7. :VQ1=VIN+VOUT+Vf+VC1:ripple2

方程式 8 计算最大二极管应力:

方程式 8. :VD1=VIN+VOUT+VC1:ripple2

其中

  • VIN 是输入电压
  • VOUT 是输出电压
  • Vƒ 是二极管正向电压
  • VC1,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。


GUID-20230206-SS0I-R8XZ-DV3P-5NNBPR2JSTBQ-low.png

图 13 CCM 下的 Zeta FET Q1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-5GVM-12GS-21FBDZB4KWJV-low.png

图 15 CCM 下的 Zeta 电感器 L1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-KLQR-JZS7-GCX4BVFH0JWL-low.png

图 17 CCM 下的 Zeta 耦合电容器 C1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-QSWN-CDNS-LKK5KQXNTTHL-low.png

图 19 CCM 下的 Zeta 二极管 D1 电压波形

GUID-20230206-SS0I-4BG0-KSCL-MHKVGRMZ30JL-low.png

图 21 CCM 下的 Zeta 电感器 L2 电压波形

GUID-20230206-SS0I-MTWG-J1CV-TCDKSBQ6WBMK-low.png

图 14 CCM 下的 Zeta FET Q1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-FBCL-HDFB-BDBMGN21PNH4-low.png

图 16 CCM 下的 Zeta 电感器 L1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-L6HL-JDNF-HHFRMLNMQ5TN-low.png

图 18 CCM 下的 Zeta 耦合电容器 C1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-VM5Z-3Q6F-JGGR8PZQTJPL-low.png

图 20 CCM 下的 Zeta 二极管 D1 电流波形

GUID-20230206-SS0I-CDGD-KMLQ-RZVDLJ7SBMVG-low.png

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
  • 使用 Power Stage Designer 设计您的功率级。
  • 下载电源拓扑手册和电源拓扑快速参考指南。

重要声明和免责声明

TI 均以“原样”提供技术性及可靠性数据(包括数据表)、设计资源(包括参考设计)、应用或其他设计建议、网络工具、安全信息和其他资源,不保证其中不含任何瑕疵,且不做任何明示或暗示的担保,包括但不限于对适销性、适合某特定用途或不侵犯任何第三方知识产权的暗示担保。

所述资源可供专业开发人员应用TI 产品进行设计使用。您将对以下行为独自承担全部责任:(1) 针对您的应用选择合适的TI 产品;(2) 设计、验证并测试您的应用;(3) 确保您的应用满足相应标准以及任何其他安全、安保或其他要求。所述资源如有变更,恕不另行通知。TI 对您使用所述资源的授权仅限于开发资源所涉及TI 产品的相关应用。除此之外不得复制或展示所述资源,也不提供其它TI或任何第三方的知识产权授权许可。如因使用所述资源而产生任何索赔、赔偿、成本、损失及债务等,TI对此概不负责,并且您须赔偿由此对TI 及其代表造成的损害。

TI 所提供产品均受TI 的销售条款 (http://www.ti.com.cn/zh-cn/legal/termsofsale.html) 以及ti.com.cn上或随附TI产品提供的其他可适用条款的约束。TI提供所述资源并不扩展或以其他方式更改TI 针对TI 产品所发布的可适用的担保范围或担保免责声明。IMPORTANT NOTICE

邮寄地址:上海市浦东新区世纪大道 1568 号中建大厦 32 楼,邮政编码:200122

Copyright © 2023 德州仪器半导体技术(上海)有限公司

Texas Instruments

© Copyright 1995-2025 Texas Instruments Incorporated. All rights reserved.
Submit documentation feedback | IMPORTANT NOTICE | Trademarks | Privacy policy | Cookie policy | Terms of use | Terms of sale