ZHCUCO0 December   2024

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 主要系统规格
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
      1. 2.2.1 小巧紧凑的尺寸
      2. 2.2.2 无变压器设计
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1  BQ25790 IIC 控制型、1-4 节电池、5A 降压/升压模式电池充电器
      2. 2.3.2  TPS3422 具有可配置延迟的低功耗按钮控制器
      3. 2.3.3  SN74LVC1G74 具有清零和预设功能的单路上升沿触发式 D 类触发器
      4. 2.3.4  TPS259470 2.7V 至 23V、5.5A、28mΩ 真正的反向电流阻断电子保险丝
      5. 2.3.5  TPS54218 2.95V 至 6V 输入、2A 同步降压 SWIFT 转换器
      6. 2.3.6  TPS54318 2.95V 至 6V 输入、3A 同步降压 SWIFT 转换器
      7. 2.3.7  LM5158 2.2MHz、宽 VIN、85V 输出升压、SEPIC 或反激式转换器
      8. 2.3.8  TPS61178 具备负载断开功能的 20V 完全集成式同步升压
      9. 2.3.9  采用 3.8mm × 3mm 封装的 LMZM23601 36V、1A 降压 DC-DC 电源模块
      10. 2.3.10 TPS7A39 双路、150mA、宽 VIN、正负低压降 (LDO) 电压稳压器
      11. 2.3.11 TPS74401 具有可编程软启动功能的 3.0A 超低压降稳压器
      12. 2.3.12 TPS7A96 2A 超低噪声、超高 PSRR RF 稳压器
      13. 2.3.13 LM3880 具有固定延时时间的三电源导轨简单电源序列发生器
      14. 2.3.14 具有非易失性内存的 DAC53401 10 位电压输出 DAC
      15. 2.3.15 INA231 具有警报功能、采用 WCSP 封装的 28V 16 位 I2C 输出电流、电压和功率监控器
  9. 3系统设计原理
    1. 3.1 输入段
      1. 3.1.1 降压/升压充电器
      2. 3.1.2 电源开启或关闭
    2. 3.2 基于高压电源的 SEPIC 和 Cuk 设计
      1. 3.2.1 SEPIC 和 Cuk 转换器的基本操作原则
      2. 3.2.2 采用具有 SEPIC 和 Cuk 的非耦合电感器的双路高压电源设计
        1. 3.2.2.1 占空比
        2. 3.2.2.2 电感器选型
        3. 3.2.2.3 功率 MOSFET 验证
        4. 3.2.2.4 输出二极管选型
        5. 3.2.2.5 耦合电容器选型
        6. 3.2.2.6 输出电容器选型
        7. 3.2.2.7 输入电容器选型
        8. 3.2.2.8 使用可调节函数对输出电压进行编程
    3. 3.3 设计低压电源
      1. 3.3.1 通过 WEBENCH Power Designer 设计 TPS54218
      2. 3.3.2 ±5V 传输电源生成
    4. 3.4 系统时钟同步
    5. 3.5 电源和数据输出连接器
    6. 3.6 系统电流和功率监控
  10. 4硬件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 硬件要求
    2. 4.2 测试设置
    3. 4.3 测试结果
      1. 4.3.1 效率测试结果
      2. 4.3.2 线路调整测试结果
      3. 4.3.3 频谱测试结果
  11. 5设计和文档支持
    1. 5.1 设计文件
      1. 5.1.1 原理图
      2. 5.1.2 BOM
      3. 5.1.3 PCB 布局建议
        1. 5.1.3.1 高压电源布局
    2. 5.2 工具与软件
    3. 5.3 文档支持
    4. 5.4 支持资源
    5. 5.5 商标

3.2.1 SEPIC 和 Cuk 转换器的基本操作原则

在单端初级电感转换器 (SEPIC) 和 Cuk 设计中，输出电压可高于或低于输入电压。图 3-3 展示了采用两个电感器的 SEPIC 拓扑：L1、L2 和 图 3-4 展示了使用 L3 和 L4 电感器的 Cuk 转换器拓扑。这两个电感器可以绕制在同一个磁芯上，或者互不耦合，因为在整个开关周期中，它们上面施加的电压是相同的。图 3-3 和 图 3-4 说明了 Cuk 拓扑是通过采用 SEPIC 拓扑的二极管和第二个电感器的交换位置获得的。

注： Cuk 的输出为负电压，但 SEPIC 的输出为正电压。

要了解 SEPIC 转换器中各个电路节点的电压，可以在直流条件下分析电路，此时 Q1 处于关闭状态且不进行开关操作。在稳定状态 CCM 下，使用脉宽调制 (PWM) 操作，若忽略纹波电压，电容器 C1 充电至输入电压 VIN。当 Q1 关闭时，L2 上的电压必须为 VOUT。因此，当 Q1 关闭时，Q1 两端的电压等于 VIN + VOUT，此时 L1 两端的电压为 VOUT。当 Q1 打开时，充电至 VIN 的电容器 C1 与 L2 并联，因此 L2 上的电压为 –VIN。

图 3-3 展示了流经各个电路组件的电流。当 Q1 打开时，能量从输入端存储到 L1，并从 C1 存储到 L2。当 Q1 关闭时，L1 电流继续通过 C1 和 D1 流动，并流入 C2 和负载。当 Q1 重新打开时，C1 和 C2 分别被重新充电以提供负载电流和充电 L2（请参阅 图 3-3 和 图 3-5），请参阅 AN-1484 设计 SEPIC 转换器 应用手册。

要了解 Cuk 转换器各种电路节点处的电压，请分析在直流条件下，当 Q2 关闭且不切换时的电路。在稳定状态 CCM 下，使用脉宽调制 (PWM) 操作，若忽略纹波电压，电容器 C3 会从 VIN 充电至 Vout。当 Q2 关闭时，L4 上的电压必须为 VOUT。当 Q1 关闭时，Q1 两端的电压等于 Vin – Vout，此时 L3 两端的电压为 –Vout。当 Q2 打开时，电容器 C3 充电至 Vin – Vout，并与 L4 串联，此时 L4 两端的电压为 –Vin。图 3-4 展示了流经各个电路组件的电流。当 Q2 打开时，能量从输入端存储到 L3 中，并从 C3 存储到 L4。当 Q2 关闭时，来自 L3 的电流继续通过 C3 和 D2 流动，L4 的电流被充电至 C4 和负载。当 Q1 重新打开时，C3 和 C4 都会重新充电，以便这些电容器可分别提供负载电流并为 L4 充电。有关更多信息，请参阅 图 3-4 和 图 3-6 并参阅 TI-Cuk 培训。

TIDA-010269 SEPIC 拓扑图 3-3 SEPIC 拓扑

TIDA-010269 Cuk 转换器拓扑

图 3-4 Cuk 转换器拓扑
TIDA-010269 SEPIC MOSFET 开关开启时的电流环路图 3-5 SEPIC MOSFET 开关开启时的电流环路

TIDA-010269 Cuk MOSFET 开关开启时的电流环路

图 3-6 Cuk MOSFET 开关开启时的电流环路

TIDA-010269 SEPIC MOSFET 开关关闭时的电流环路

图 3-7 SEPIC MOSFET 开关关闭时的电流环路
TIDA-010269 Cuk MOSFET 开关关闭时的电流环路图 3-8 Cuk MOSFET 开关关闭时的电流环路

SEPIC (方程式 2) 和 Cuk (方程式 3) 的输入电压与输出电压之间的占空比公式如下所示：

方程式 2. D = V o u t p u t + V D V i n + V o u t p u t + V D
方程式 3. D = - V o u t p u t + V D V i n - V o u t p u t + V D

方程式 2 和 方程式 3 完全相同，因为 Cuk 的输出为负。在此处，Vin 是输入电压，VD 是二极管的正向电压，Voutput 是输出电压。这表明，如果负载相同，输出电压的幅度保持不变并受到控制。

方程式 4 (SEPIC) 和方程式 5 (Cuk) 展示了 MOSFET 在开关过程中承受的最大电压计算。

方程式 4. V Q 1 = V i n + V o u t p u t + V D + V C 1 _ r i p p l e 2
方程式 5. V Q 2 = V i n - V o u t p u t + V D + V C 3 _ r i p p l e 2

方程式 6 (SEPIC) 和方程式 7 (Cuk) 展示了二极管在开关过程中承受的最大电压。

方程式 6. V D 1 = V i n + V o u t p u t + V D + V C 1 _ r i p p l e 2
方程式 7. V D 2 = V i n - V o u t p u t + V D + V C 3 _ r i p p l e 2

方程式 8 (SEPIC) 和 方程式 9 (Cuk) 展示了耦合电容器在开关过程中可承受的最大电压。

方程式 8. V C 1 = V i n + V C 1 _ r i p p l e 2
方程式 9. V C 3 = V i n - V o u t p u t + V C 3 _ r i p p l e 2

图 3-9 和 图 3-10 分别展示了 SEPIC 和 Cuk 各自的典型节点波形。

TIDA-010269 Sepic 开关波形图 3-9 Sepic 开关波形

TIDA-010269 Cuk 转换器开关波形

图 3-10 Cuk 转换器开关波形

在超声波智能探头成像应用中，发射器需要一个等于正负高压电源并且具有小型封装的振幅。如前所述，设计人员可以将 SEPIC 和 Cuk 拓扑合并在一起，以满足智能探头应用的要求。正负输出具有相同的振幅，因为超声应用中的负载在任何条件下（理论上）都是匹配的，并且 SEPIC 和 Cuk 的占空比完全相同。因此，在本参考设计中，SEPIC 和 Cuk 拓扑进行了合并，以从低输入电压生成高压电源。