比較耦合和非耦合電感組成的SEPIC穩壓器的區別

2020-11-25 電子發燒友

比較耦合和非耦合電感組成的SEPIC穩壓器的區別

電子設計 發表於 2019-03-21 08:55:00

單端初級電感DC-DC轉換器（SEPIC）是一種靈活的拓撲結構，可用作降壓（「降壓」）和升壓（「升壓」）穩壓器。該設計受到工程師的歡迎，因為它具有最小的有源元件，簡單的控制器和鉗位開關波形，可提供低噪聲工作。

SEPIC的特點是使用了兩個電感器。電感器可以保持分離（「非耦合」）或纏繞在共同的核心（「耦合」）上。電路對於任何一種類型的操作方式都沒有什麼區別，設計人員通常不確定哪種方法最佳，或者兩者之間是否存在任何真正的差異。

本文將詳細介紹兩種類型，突出顯示差異，並解釋每個的優點和缺點。

添加一個電感器

與線性穩壓器不同，當電池電壓低於要求時，開關DC-DC穩壓器能夠從降壓轉換為升壓模式在調節器輸出。升壓配置非常有用，因為它可以訪問更多電池的能量。

SEPIC穩壓器基於標準降壓/升壓設計，但帶有額外的電感和電容。 SEPIC拓撲的一個關鍵優勢是，與傳統的降壓/升壓穩壓器不同，它與輸入相比不會反轉輸出電壓。

在SEPIC穩壓器設計中，初級電感的一端連接到電池正終端（因此是SEPIC的名稱）。電容器阻止輸入和輸出之間的任何直流分量。添加此電容意味著必須添加第二個電感，以便二極體的陽極可以連接到已知電位（通常為地）。

第二個電感可以耦合到初級或分離（非耦合）。圖1顯示了耦合電感SEPIC。在該電路中，當開關元件（場效應電晶體（FET）［Q1］）導通時，輸入電壓施加在第一電感器（初級繞組）上。由於耦合磁芯的繞組比為1：1，因此次級繞組上的電壓也等於輸入電壓。

圖1：耦合電感SEPIC電壓調節器。 （德州儀器公司提供）

當耦合繞組布置由兩個非耦合電感代替時，圖1中的電路以非常類似的方式工作。然而，雖然耦合版本中的電感必須匹配（即必須保持伏 - 微秒平衡），但非耦合版本的情況並非如此。但是，工程師通常認為未耦合的電感器設計必須匹配。然而，雖然這是可以接受的並且可以保持簡單，但輸出電感器也可以比輸入側具有更低的值（因此更小且成本更低）。輸出側電感的值可以通過將初級電感的值按比例等於VOUT/VIN的典型值來計算。

兩個SEPIC的故事

事實證明電壓和電流波形非耦合電感器SEPIC與耦合電感器版本非常相似。實際上，波形非常相似，很難區分它們。因此，如果SEPIC類型之間的電路操作幾乎沒有差別，那麼使用哪一個是否重要？

考慮的選擇很重要，因為每種技術都有其優點。例如，通常選擇耦合電感SEPIC穩壓器，因為與使用兩個單電感相比，它減少了元件數量，提高了集成度，並降低了總電感要求。一個關鍵優勢是穩壓器的紋波電流在耦合電感之間分配，允許每個電感的電感減半。然後，該設計受益於更小的輸入電容和更簡單的EMI濾波。

耦合電感SEPIC還可以顯示漏電感，從而降低交流電流損耗。最後一個優點是耦合電感器設計比非耦合電感器版本顯示出更好的控制環路特性然而，耦合設計的缺點是，現成的高功率耦合電感的選擇有限。克服商業選擇缺乏的一個選擇是工程師設計他或她自己的設備;但是他們必須指定所有電氣參數，以及處理與採購定製元件相關的較長提前期。

選擇非耦合電感器可以開闢更廣泛的現成元件選擇。由於電感器不必相同，因此可以為每個電感器選擇不同的元件尺寸，從而提供更大的選擇。然而，即使第二個電感器可以小於第一個電感器，與耦合電感器元件相比，兩個非耦合電感器通常還需要額外10％的電路板面積。¹

一家公司確實提供了良好的耦合範圍用於SEPIC穩壓器應用的電感器是WürthElectronics。例如，該公司的WE-DD系列有五種不同的尺寸，可以在高達8.6 A的直流電流和高達18 A的飽和電流下工作（圖2）。 WürthElectronics還生產了一個關於其耦合電感產品的有用產品培訓模塊。

圖2：WürthElectronics為SEPIC應用提供一系列耦合電感。

有許多非耦合供應商用於SEPIC穩壓器應用的電感器，包括WürthElectronics，Bourns，Murata Power Solutions和TE Connectivity。

耦合電感器設計的效率小幅提升高達0.5％。圖3顯示了VIN = 12和24 V以及VOUT = 16 V兩種可比設計的效率。這種效率增益通常低於耦合設計中使用的較小電感的繞組損耗。

圖3：耦合和非耦合電感調節器的效率曲線。 （由Texas Instruments提供）

圖4顯示了用於非耦合電感SEPIC配置的Texas Instruments LM2735開關電壓調節器。 LM2735是一款2.1 A開關穩壓器，可在內部設置為工作在520 kHz或1.6 MHz。輸入電壓範圍為2.7至5.5 V，輸出電壓範圍為3至24 V.該公司表示，LM2735允許使用小型電感器和電容器，同時工作效率高達90％。圖2所示的設計（1.6 MHz，VIN = 2.7至5 V，VOUT = 3.3 V，500 mA）採用兩個相同的電感，測量值為6.8μH。

圖4：非耦合電感SEPIC穩壓器基於TI LM2735的設計。

Maxim Integrated還為SEPIC設計提供集成開關電壓調節器。 MAX629設計用於在0.8至28 V範圍內的輸入電壓範圍內提供高達28 V的輸出電壓。 MAX629的開關頻率高達300 kHz，允許使用小型耦合或非耦合電感。

總結

SEPIC拓撲結構是降壓/升壓穩壓器的理想替代品，具有額外的優勢，即輸出電壓為不倒。可以使用耦合電感器或兩個非耦合繞組來實現調節器。與非耦合電感器類型相比，耦合電感器版本帶來了略微提高的效率，減小的電路面積，更加良好的控制環路特性以及更少的EMI挑戰。但是，更容易找到非耦合電感 - 如果上市時間至關重要，這是一個重要的考慮因素。

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