说到DC/DC拓扑,不懂SEPIC电路可不行!
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相信每一位电源工程师对非隔离DC/DC拓扑BUCK/BOOST/BUCK-BOOST都了如指掌,因为这三类拓扑可以应付90%以上的应用场合。但是有时候世界就是这么残酷,总有一些应用,让你手足无措,这个时候,如果你还不懂赛皮克,那你就OUT啦。
赛皮克,英文名叫SEPIC,是一种能够实现升降压的非隔离DC/DC拓扑,尤其适合电池供电的应用场合。
如图1所示,车载铅酸蓄电池电压13.8V,9-16V均为其正常工作电压范围,在汽车启动的时候,电池电压甚至会瞬间跌落至4.5V,此时如果挂在车载电池上的用电设备仍需要保持正常工作,则不得不采用升降压DC/DC的方案。
图1:升降压的应用场合单开关Buck-Boost是升降压拓扑,但是Buck-Boost输出反极性,产生的是负压输出,这种负压输出应用到LED驱动是很好的方案,却不能应用到给普通设备供电;四开关Buck-Boost也是升降压拓扑,也能做到正极性输出,但就像利物浦主教练克洛普说过“好的球员除了贵,没有任何缺点”,四开关Buck-Boost集成四颗MOS管,对于中小功率场合,成本就不太划算了。于是SEPIC就有了存在的价值。下面简单为各位认真的朋友简单科普SEPIC电路的一些故事。
01【“赛皮克”的工作原理】
SEPIC电路的形式如图2所示,拓扑非常好记,Boost电路中间插入一个LC环节就构成了SEPIC电路。SEPIC电路通常取电感L1和L2相等。
我们都知道,电感在一个开关周期内不储存能量,所以一个开关周期内电感上的平均电压等于零,所以容易推出SEPIC电路中间的耦合电容Cac的电压Vac=Vin。
图2:Sepic电路的拓扑形式
如图3所示,当MOS管导通的时段Ton内,输入电压给L1充电,耦合电容Cac放电给L2充电,输出电容Co续流给负载提供能量。由于Vac=Vin,所以电感L1和L2的电流变化率相同。
图3:MOS管导通时Sepic工作原理
图4:MOS管关断时Sepic工作原理
介绍完赛皮克的基本工作原理,我们来看看它的设计注意事项。
1.电感选型时保证低压侧流过最大负载电流时,电感电流的峰值不要超过饱和电流;
上面提到,电感L1和L2在MOS管开通和关断的过程中,其电流变化率是相同的,但是电感电流IL1和IL2的平均值却不相同。我们知道耦合电容一个周期内同样也不储存能量,所以流过耦合电容的电流的平均值也等于零,于是可以得到电感L1的电流平均值等于输入电流的平均值,电感L2的电流平均值等于输出电流的平均值。由于SEPIC电路中的两个电感通常选择参数完全一致的电感,所以我们在电感选型设计时,需要保证低电压侧流过最大电流时,其电感电流不超过电感标称的饱和电流参数。2.保证MOS流过的电流不超过IC内部的Current Limit
根据图3,我们知道MOS管导通的时候,流过MOS的电流等于L1和L2的电流之和,当MOS关断的时候,流过Diode的电流也等于L1+L2的电流之和。所以MOS的通流能力需要大于输入+输出电流的平均值+半个峰峰值并留有一定的裕量。否则正常工作的时候,会导致流过MOS电流触碰到Current Limit点,从而触发过流保护。
3.保证MOS的耐压至少高于Vin+Vout
根据图4,我们知道MOS管导通的时候,SW点的电压等于0,MOS管关断的时候,SW点的电压等于Vin+Vout,所以MOS管的耐压需要至少高于Vin+Vout,这一点设计时需要多加注意。
讲到这里,赛皮克就基本为大家讲完了,这个时候,认真的朋友可能会抛出兹尔塔ZETA的问题,于是热心的小编也顺带给大家提一句。
03【兹尔塔ZETA】兹尔塔和赛皮克是兄弟伙,赛皮克是基于Boost这类低边MOS衍生而来的升降压电路,兹尔塔则是基于Buck这类高边MOS衍生而来的升降压电路,电路形式如下图5所示。和赛皮克相比,几乎所有的分析都是互易的,认真的朋友可以自行分析。由于高边MOS的成本高于低边MOS,而且傲娇的MPS同学几乎把自己家的BUCK都做成了同步的,所以热心的小编不推荐!
图5:Zeta (兹尔塔)电路的拓扑形式