穩(wěn)壓電荷泵和電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器的比較

因此升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓始終高于輸入電壓，因?yàn)?/(1 - D) 始終大于1。圖5給出了升壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)。

因此，對于需要穩(wěn)壓輸出電壓既可高于輸入電壓又可低于輸入電壓的應(yīng)用，降壓或升壓穩(wěn)壓器都不太合適。

單端初級電感式轉(zhuǎn)換器(SEPIC)

另一種應(yīng)用日益廣泛的電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器是SEPIC結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是輸出的穩(wěn)壓電壓既能夠高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓。

如圖6所示，SEPIC與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于，采用兩個外部電感(L1和L2)以及兩個外部電容(CP 和 COUT)。SEPIC電源的工作也包括兩個階段，但對其工作方式的討論不是非常廣泛，因?yàn)橄鄬Ω鼮閺?fù)雜，而其應(yīng)用也是近期才流行起來。

同樣，為簡化分析，我們考察一個L1 和 L2都工作在連續(xù)電流模式的固定頻率SEPIC穩(wěn)壓器。

為理解SEPIC穩(wěn)壓器的工作，我們首先從平衡狀態(tài)開始，這時開關(guān)都是關(guān)斷的。沒有直流電流通過CP。CP端的電壓(從左到右)是VIN，其左側(cè)通過L1連接到VIN，右側(cè)通過L2連接到地。

在開關(guān)導(dǎo)通階段，L1右側(cè)連接到地，VIN就是其兩端的電壓。CP左側(cè)電平轉(zhuǎn)接到地，由于CP兩端的電壓是VIN，因此CP右側(cè)的電壓是−VIN。L2的下端接地，同時與CP并聯(lián)，因此其上端電壓為−VIN。二極管D1現(xiàn)在是反向偏置，因此沒有電流通過。

在此階段，L1由VIN充電， L2由CP進(jìn)行充電。由于D1是反向偏置的，兩個電感都不對COUT進(jìn)行充電或?yàn)樨?fù)載供電。負(fù)載電流由COUT提供。因此，兩個電感的電流都以線性方式上升，在開關(guān)導(dǎo)通階段的開始初始值為iL1和iL2, 在開關(guān)導(dǎo)通階段結(jié)束時的最終值分別為iH1和iH2 (參考圖6)。

電感兩端電壓與通過電感的電流之間的關(guān)系為：

V=L(di/dt) 方程(3)

從公式3推導(dǎo)出，在開關(guān)導(dǎo)通階段電感L1和L2的電壓-電流關(guān)系如下：

iH1-iL1=(VIN-0)tON/L1=VINtON/L1 方程(4a)

iH2-iL2=(0-(-VIN))tON/L2=VINtON/L2 方程(4b)

在開關(guān)導(dǎo)通階段，由于通過L1的電流不能瞬時變化，因此同樣的電流流出L1的右側(cè)，迫使L1右側(cè)電平從地上升到高于VIN。這同時將CP左側(cè)的電平移至高于VIN，從而導(dǎo)致電流從其右側(cè)流出，使D1處于正向偏置。這樣CP右側(cè)的電壓，即L2上端的電壓，也等于VOUT(忽略二極管的小壓降)。此外，我們已經(jīng)確定 CP 兩端(從左到右)的電壓為VIN，因此 CP 和 L1 之間結(jié)點(diǎn)的電壓現(xiàn)在為VIN+VOUT。

來自L1和L2電感的電流現(xiàn)在開始對 COUT 充電并為負(fù)載提供電流。因此，兩個電感的電流都以線性方式下降，在開關(guān)斷開階段的開始初始值為 iH1和iH2, 在開關(guān)斷開階段結(jié)束時的最終值分別為iL1和iL2(參考圖6)。

在開關(guān)斷開階段，L1和L2電感上的電壓-電流關(guān)系為：

iL1-iH1=(VIN-(VIN+VOUT))(T-tON)/L1=-VOUT(T-tON)/L1 方程(5a)

iL2-iH2=(0-VOUT)(T-tON)/L2=-VOUT(T-tON)/L2 方程(5b)

從方程4a和5a，或方程4b和5b， 可以導(dǎo)出VOUT：

VOUT=VINtON/(T-tON) 方程(6a)

方程6a還可以表示為：

VOUT=VIND/(1-D) 方程(6b)

其中D為占空比，等于tON/T。

從方程6a 和 6b，我們可以看出，SEPIC穩(wěn)壓器的輸出電壓既可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓，因?yàn)镈/(1 -D)的值既可大于1，也可小于1。

比較

穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器和SEPIC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器都可以輸出高于或低于輸入電壓的穩(wěn)壓電壓。對于成本敏感和避免設(shè)計(jì)復(fù)雜性的應(yīng)用來說，穩(wěn)壓電荷泵比SEPIC穩(wěn)壓器更為適用。

穩(wěn)壓電荷泵解決方案不需要電感，因此比基于SEPIC的解決方案更為簡單。因此，與SEPIC穩(wěn)壓器相比，穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器解決方案在設(shè)計(jì)上更簡單，外形尺寸更小，成本更低。

另一方面，SEPIC穩(wěn)壓器能夠在所有負(fù)載電壓和電流狀態(tài)下提供較高的效率，因此對于具有這種需求的場合是更合適的選擇。此外，作為基于電感的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，SEPIC穩(wěn)壓器能夠比穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器輸出更大的電流。

結(jié)論

穩(wěn)壓電荷泵式和電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器(包括降壓、升壓以及SEPIC穩(wěn)壓器)之間的比較可總結(jié)如下：

•穩(wěn)壓電荷泵式解決方案通常設(shè)計(jì)更簡單、尺寸較小、成本更低。

•在許多情況下，SEPIC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器效率較高，并且可以輸出較大電流。

因此設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行折衷，選擇最適合的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。