SEPIC DC-DC转换器

这是在DC / DC转换器的基本配置以后的文章一样的结构的标题被称为SEPIC已归纳为两个因素的重要的数据:

不存在于电容器的存在输入和输出之间的感谢直接连接的

在降压 - 升压模式运行.

将描述在其中使用它的通常区域，并与所有的公式的例子，以计算具有这种结构的实际电源.

锂离子电池和低ESR的电容都给人一种新的面貌向SEPIC拓扑. 联合国SEPIC (转换器单端初级电感) 它是由这样的事实来区分它的输入电压范围可重叠于输出电压. 由于对SEPIC文献差, 设计师与能量转换器的一点小经验避免采取这种配置, 现在是时候做一些’ 明晰.

锂电池是很成功, 这主要归功于其令人印象深刻的能量密度. 单个锂电池提供的电压 4,2 v当它充满电后可替代 3 Ø镍镉镍氢电池. 该电压取决于剩余容量，可以使用到的电压 2,7 V. 甲SEPIC是使用这种电池的理想电路.

该SEPIC还发现了现代电源的电视应用，以提高从315V启动电压至400V他们的财产进行发电网络上的低噪音. 它也提供甚至所需的输出电平如果峰值输入电压较高 (减少故障与电事件的百分比).

基本方程

升压拓扑结构 (人物 1) 这是SEPIC转换器的基础. 升压转换器的原理我澄清这在以前的文章:

1°Sw一TON期间关闭所述开关, 增大存储在电感器L1的磁能.

人物 1. 这升压拓扑结构是电源电路SEPIC基础.

2°开关TOFF期间打开, 发行D1和COUT作为磁能存储的唯一路径. COUT过滤通过D1从L1产生的脉冲. 当VOUT是比较低的, 有可能通过使用肖特基二极管具有低正向电压，提高效率. VOUT必须大于VIN. 在相反的情况 (WINE> VOUT) D1直接极化，没有什么能够阻止电流流动从VIN到VOUT.

该SEPIC方案 人物 2 通过插入电容器消除了这一限制 (CP) L1和D1之间. 这显然电容器块的输入和输出之间的任何DC分量. D1的阳极, 然而, 它必须连接到已知电位. 这是通过连接D1实现通过第二电感器与地 (L2).

人物 2. 所述SEPIC电路的一个优点, 除了降压性能 / 促进, 这是一个电容器 (CP) 防止从V不必要的电流流动在 和VOUT.

L2可以从L1分离或卷绕在同一芯, 根据应用的需求. 由于后者的结构是一个简单的变压器, 人们可以说，这是一个典型的反激式. 不存在典型的反激缓冲器的一个网络的其它方式证明. 漏感是不是在SEPIC方案的问题. 主要寄生电阻RL1, RL2, RSW和RCP分别关联到L1, L2, SWË的Cp.

虽然它有非常少的元素, SEPIC转换器的动作也不是那么简单等式被抽象.

假设相比，DC分量的纹波电流和电压值是小.

要启动, 我们表示一个事实，即在平衡有两个电感L1，L2之间没有DC电压降 (忽略了寄生电阻的). 因此, CP看到，一方面DC电势VIN, 通过L1, 和土地上的另一面, 通过L2. Cp的直流电压是:

(VCP)VIN = (公式. 1)

“Ť” 这是一个切换周期的周期. 我们将称之为α针对SW闭合和1-α的周期的剩余部分T形部.

由于L1上的平均电压在稳态条件期间等于零, 从L1αT期间视图电压 (音) 它正好通过期间所观察到的张力偏移 (1-一) Ť (花花公子):

αTVIN= (1-一) Ť (VOUT + VD + VCP- WINE) = (1-一) Ť (ARCH + VD).

VD为的连续流D1的正向电压降 (IL1 + IL2), Ë

VCP等于VIN:

(ARCH + VD) / VIN = A / (1-一) 艾= (公式. 2)

艾被称为放大系数, 鸽子 “一世” 它代表了它的寄生电阻为null理想的情况下. 忽略VD超过VOUT (作为第一近似值), 我们看到，VOUT和VIN之间的关系可以是大于或小于 1, 根据α的值 (与α获得平等= 0.5).

本报告SEPIC转换器比classologie降压或降压经典的特征.

更精确的表达了Aa解释在电路中的寄生电阻:

AA = [VOUT + VD的+ IOUT *(谁* RCP + RL2)] / [酒- 嗳(RL1 +器Rsw) IOUT- RSW * IOUT] (公式. 3)

这个公式是用于计算的最小放大因子, 典型和最大输入电压VIN(忠实, Aarip和Aamax). 式是递归 (“一个” 它出现在两个结果中的表达), 但一些迭代计算导致渐近解. 表达忽略由于开关Sw和D1中的反向电流转换损耗. 这些损失是可以忽略不计, 尤其是当SW为快速MOSFET，其漏极电压偏移 (VIN + ARCH + VD) 它仍然低于30V (今天低损耗MOSFET的明显的限制).

在某些情况下，, 你还必须考虑到由于反向电流D1和磁芯损耗由于高层次的感应梯度帐户损失. 您可以从α的相应值推断’ 公式2:

αzzAazz = / (1 + Aazz), 其中ZZ是分钟, 典型o最大. (公式. 4)

通过CP上的直流电流是什么, 然后将平均输出电流只能通过L2提供:

IOUT = IL2 (公式. 5)

L2功率耗散要求被衰减, 因为在L2的平均电流总是等于IOUT和不依赖于在VIN的变化. 为了计算在L1的电流 (IL1), 我们假设没有电流通过流的Cp. 因此, αT期间流动的电荷库仑是完全由在充电相反库仑的平衡 (1-一) Ť.

当开关被闭合 (一个时间间隔αT) 节点A的电位被设置为0V. 根据公式 1, 节点B的电位为-Vin, 该反逆转D1. 通过泵浦电路的电流然后IL2.

当开关在开启 (1-一) Ť, IL2流经D1流经的Cp，同时IL1: αT * IL2 = (1-一) Ť * IL1.Sapendo该IL2 = IOUT,

IL-1 = Aazz * IOUT (公式 6)

由于输入功率等于输出功率由效率划分, IL-1是高度依赖于VIN. 对于给定的输出功率, IL-1增加，如果VIN减少. 明知IL2 (然后IOUT) αT期间流入的Cp, 我们选择的Cp使得它的纹波ΔVCp是的VCP一个非常小的一部分 (C = DAL 1% 人 5%). 当VIN是最小的发生最坏的情况.

CP> IOUT *αminT / (C * VINMIN) (公式. 7)

高频控制器的操作的组合和在多层陶瓷电容器中的最新进展 (MLC) 允许使用小的和非极化电容器Cp的. 确保Cp是能够支持PCP功耗，由于其内阻 (RCP):

PCP = Aamin * Rcp的 * IOUT² (公式. 8)

RSW, 通常通过串联的漏 - 源电阻MOSFET开关与一个分流构成用于限制最大电流, 它涉及下列损失:

PSW = Aamin (1 + 忠实) RSWIOUT² (公式. 9)
由于内部电阻L1和L2的损失和枯草杆菌蛋白酶PR2被容易地计算 :

PRL1 =Aamin²RL1IOUT² (公式. 10)

PRL2 = RL2IOUT² (公式. 11)

当计算损失由于D1, 注意VD评估对IL-1的调 + IL2:

PD1 = VD×IOUT (公式 12)

L1被选择成使得其总电流纹波 (DIL1) 是分数 (b = 20% 人 50%) 该IL1. 当VIN为最大值出现的β最坏的情况, 因为DIL1最大时IL1最小.

假设β= 0,5:

L1min = 2 Ť (1-αMAX) VINMAX / IOUT (公式. 13)

选择接近为L1计算的标准值，并确保其饱和电流满足以下条件:

IL1sat>> IL1 + 0,5 ΔIL1= AaminIOUT + 0,5 TαminVINmin/ L1 (公式. 14)

为L2的计算是相似的，对于L1:

L2min = 2 TαmaxVINmax/ IOUT (公式. 15)

IL2sat>> IL2 + 0,5 ΔIL2= IOUT + 0,5 TαmaxVINmax/ L2 (公式. 16)

如果L1和L2缠绕在同一芯, 你必须选择两个值的大. 单核迫使两个绕组，以获得相同的匝数，然后相同的电感值. 否则, 两个绕组之间的张力将是不同的1和Cp将充当短路到差. 如果绕组的电压是相同的, 产生相同的电流和累积梯度. 因此, 每个绕组的固有电感应等于只为L1和L2所计算出的值的一半.

由于两个绕组之间存在电位差大, 您可以通过在相同的操作缠绕在一起的成本节约. 如果绕组的横截面是等效, 阻性损耗不同，因为他们目前的 (IL1至IL2) 不同. 总损耗, 然而, 它是低时的损失均匀两个绕组之间的分布, 这样来设置的横截面是有用的每个绕组根据载流. 这是特别容易，当绕组由多股对比趋肤效应做. 最后, 芯的尺寸被选择，以适应更大的饱和电流 (IL1 + IL2 + DIL1) 最高预期内部温度.

输出电容的目的 (COST) 它是TOFF期间由D1提供的电流脉冲的平均. 目前的过渡是残酷的, 然后COUT应该是一个高性能的部件，如在回扫拓扑结构使用. 好在, 陶瓷电容今天提供低ESR. 为COUT的最小值由波纹的量来确定 (ΔVOUT) 可容忍:

COST> = Aamin IOUTαMINŤ / ΔVOUT (公式. 17)

一个真正的输出电容的值可能需要更大的, 尤其是如果所述负载电流是由高能量脉冲的. 输入电容可以非常小, 得益于SEPIC拓扑的滤波特性. 平时, CIN可以比COUT小十倍:

CIN = COST / 10 (公式. 18)

这一长串公式后，我们搬到设计实际电路, 供给功率LED具有三个锂细胞inserie.
初始数据:

VINMIN = 8,1 V

VINtyp = 11,1 V

VINMAX = 12,6 V

每

VOUT = 11,7V

IOUT = 2 一个

T =2μS

MD = 0,42 V

A轮初始估计的提供了如下的近似值:

L1ËL2 = 22mH,

RL1 = RL2 =39mΩ,

RCP =50mΩ的

RSW =35mΩ.

一个SEPIC电源图 24 w ^ CON LM3478

使用’方程 2

(ARCH + VD) / VIN = A / (1-一) 艾=

对于第一件事情，他们计算出对应于最小VIN艾理想的放大系数, 典型的，最大值为 1,568, 1,144 Ë 0,968. 使用这些值’方程 3

AA = [VOUT + VD的+ IOUT *(谁* RCP + RL2)] / [酒- 嗳(RL1 +器Rsw) IOUT- RSW * IOUT]

得到最准确的值Aazz 1.735, 1.292 Ë 0.88 分别. 对应的占空比衍生自’方程 4

αzzAazz = / (1 + Aazz), 其中ZZ是分钟, 典型o最大.

来 0,611, 0,533 Ë 0,492.

L2科伦特 (IL2) 图2A是等于第二’方程 5

IOUT = IL2

IL1和变化根据VIN. 使用’方程 6

IL-1 = Aazz * IOUT

我们得到IL1值3,136A, 2,288A和1,936A作为VIN变化从最小到最大.

我们得到的Cp3,5μF的最小值盯着γ= 4% 内尔’方程 7

CP> IOUT *αminT / (C * VINMIN)

Cp的标称电压从扣除’方程 1

(VCP)VIN =

如果输入电压应不大于12V, 陶瓷电容器额定电压为16V 10uF的应该去. 现代MLC电容容易满足的预期Rcp的 50 L：和轻松支持的功率损耗 400 毫瓦从中扣除’方程 8.

PCP = Aamin * Rcp的 * IOUT²

以下参数在最坏的情况下计算的, 这是最小的VIN:

从开关 33 L：必须消除 500 根据毫瓦’方程 9,

PSW = Aamin (1 + 忠实) RSWIOUT²

它允许您选择在一个容器SOT223外部晶体管.

该 方程 10 Ë 11

PRL1 =Aamin²RL1IOUT²

PRL2 = RL2IOUT²

破坏损失 380 Ë毫瓦 156 毫瓦L1和L2. 在这里，我们确认L1的铜部分应该比L2更大.

使用’方程 12

PD1 = VD×IOUT

D1来计算功率损耗 0,84 w ^, 我们看到，D1是亏损的主要来源. 选择一个有效的整流器是很重要的, 如果没有同步整流.

对于L1, 升’方程 13

L1min = 2 Ť (1-αMAX) VINMAX / IOUT

这表明9,8μH的最小值, 它是接近的估计值22μH的. 对于具有22μH的值L1正常操作 , 升’方程 14

IL1sat>> IL1 + 0,5 ΔIL1= AaminIOUT + 0,5 TαminVINmin/ L1

它提供的峰值电流 3,14 一个 . 评级5A的装置提供了一个合理的余量. 确保D1能够维持高温的电流脉冲等于IL1 + IOUT = 5,2 A和平均电流IOUT = 2A.

同样, 升’方程 15

L2min = 2 TαmaxVINmax/ IOUT

它导致的最小值L2 12,4 μH. 再次, 22uH容是一个合理的值. 根据’方程 16

IL2sat>> IL2 + 0,5 ΔIL2= IOUT + 0,5 TαmaxVINmax/ L2

L2应该支持的电流峰值 2.2 一个.

对于ΔVOUT(VOUT / 100) 在117mV , 升’方程 17

COST> = Aamin IOUTαMINŤ / ΔVOUT

他说，输出电容至少应为33μF(33) .

大号’方程 18

CIN = COST / 10

3,3μF说，应该够CIN.

它保持描述集成LM3478的用于供应管理R1仅三个典型组件, R2和R3与电阻器引脚一起 7.

R1和R2，以形成后续块触发晶体管直到销分压器的电压为输出电压控制 3 低于1.25V

R3就需要在L1中流动的短路电流保护, 的值，该限制设定为约8A

到销的阻力 7 固定振荡频率, 该值是指2us的的总时间段这等于500KHz的频率.

如可以看到它不是SEPIC的一个简单的设计，但最终的结果在大小和电路简单性方面是令人惊讶. 如果你想用两个电感单核那张减半各个绕组的电感值.

基本的操作是，两个线圈具有其它方面相同的值的二极管场所来初始假设在两个电感空的平均值小于.

有了这个，我留在被帮助的人，希望谁是有兴趣在这条赛道

Amilcare问候