由單一輸入電壓實現(xiàn)分離供電軌的改進拓撲結構（二）

標簽：模擬 電子 IT 電路

小信號分析和環(huán)路補償

SEPIC-C'uk轉換器的完整小信號分析超出了本文的范圍，不過，利用本應用筆記提供的方程式，設計人員應能正確補償其設計。ADP161x SEPIC-C'uk設計工具使用的模型更完整、更精確，但也復雜得多。所示的方程式適用于SEPIC-C'uk中的ADP161x器件，對ADI公司或其他公司制造的其他器件而言可能不夠精確。

只要滿足幾項設計要求，則SEPIC-C'uk的小信號模型看起來與不帶C'uk的SEPIC轉換器非常相似。假設SEPIC-C'uk供電軌使用的電感相同，這一要求是有道理的，因為兩個輸出是針對同一電壓和電流而設計。

C'uk和Middlebrook的論文(參見參考文獻部分)表明：無論是小信號還是大信號，耦合電感的行為都與具有兩倍的單繞組電感值、無SEPIC或C'uk諧振的電感相似。因此，本應用筆記的分析使用有效電感值，即耦合電感數(shù)據(jù)手冊提供的單繞組電感值的兩倍。分析假設使用相同的阻性負載，不過，轉換器在較大的負載不平衡下仍能保持穩(wěn)定。兩個傳輸電容(C1和C2)的值應幾乎相同，但C2略大于C1.假設這些電容為陶瓷電容，因此在計算有效電容時，設計人員需要考慮其直流偏置值的不同。

補償SEPIC C'uk的第一步是選擇可實現(xiàn)的目標交越頻率。像大多數(shù)升壓和降壓/升壓拓撲結構一樣，SEPIC-C'uk具有一個右半平面零點(RHP)，它依據(jù)方程式7確定。RHP具有雙重作用，既能像零點一樣提高增益，也能像極點一樣減除相位。因此，必須用最大為RHP頻率(fRHP)五分之一的頻率來補償轉換器的交越頻率。

SEPIC-C'uk還有一個諧振，它由泄漏電感(Llkg)和傳輸電容(C1)引起，發(fā)生于Fres.該諧振一般會被電感的DCR很好地消除，但可能引起較大的相位延遲，因此，交越頻率應不超出其十分之一。此外，由于使用一個采用標準Type II補償?shù)碾娏髂Ｊ娇刂破?，因此最大可實現(xiàn)的交越頻率約為開關頻率的十分之一。所以，目標fu應為這三種約束條件下的最小值，如方程式9所示。

圖8. 功率級和補償器件框圖

圖8中的補償值可以按照下式計算。由于假設使用陶瓷輸出電容，因而可以將CC2選為10 pf。

其中：

fp為電流模式轉換器的主要極點，通過一些校正因數(shù)來處理斜坡補償和有限電流增益。

Ac為開環(huán)轉換器增益在交越頻率fu時的幅度。

Mc和Fm是Ridley關于電流模式控制的論文(參見參考文獻部分)中導出的項。

Vramp和Acs是芯片內(nèi)的固定常數(shù)。

功率器件選型要點

電感中的30%紋波一般會產(chǎn)生合理的值(見方程式19)，這是通常情況。然而，當降壓比較大時，將輸入電感中的紋波百分比提高到50%或60%可能更佳。

FET開關Q1、兩個二極管開關Q2和Q3中的電流如圖9所示。圖9同時給出了開關電流的直流成分。注意，Q1承載用于SEPIC和C'uk兩個供電軌的電流。峰值電流取決于方程式19中選擇的紋波。

圖9. SEPIC-C'uk理想波形

主開關Q1中的開關損耗計算超出了本應用筆記的范圍。注意，在許多情況下，開關損耗可能相當大，因為開關得到的電壓擺幅很大(~VIN + VOUT)，而且電流也很大(參見圖9)。

ADP1612/ADP1613通過高速開關來降低這一損耗。所選FET的額定耐壓值至少應為VIN + VOUT,良好的設計應當為雜散電感引起的開關節(jié)點響鈴振蕩，以及導通電阻損耗和開關損耗引起的熱應力留有余量。

SEPIC(正)輸出的峰峰值輸出電壓紋波(ΔVripple SEPIC)可通過下式近似計算：

流經(jīng)電容的電流值(I RMS Cout SEPIC)為：

C'uk(負)輸出的峰峰值輸出電壓紋波(Δ Vripple C'uk)可通過下式近似計算：

流入C'uk(負)輸出(Δ Vrip C'uk)上COUT的電流均方根值可通過下式近似計算：

C1和C2上的紋波應當約為VIN的5%.如上文所述，盡管其直流電壓不同，但這些電容應具有相近的值。

選擇C1和C2時，由于流經(jīng)其中的電流相當大，必須考慮電流均方根額定值。

Q2和Q3一般是二極管，因此選擇器件時需要考慮多個事項。V ds max的額定值至少應為VIN + VOUT.連續(xù)電流至少應為所見峰值電流的1/3.值得注意的是，由于兩個電源的輸出電壓紋波之間的相位關系，SEPIC二極管實際上會在一定的時間內(nèi)接收到全部開關電流，之后電流才實現(xiàn)更平均的分配。不過，正如預期的那樣，流過兩個二極管的平均電流相同，均為IOUT.此外，在應用的熱環(huán)境下，封裝必須能夠處理IOUT.

輸出濾波器

SEPIC-C'uk作為雙軌轉換器通常用于模擬電源，往往要求輸出紋波極低。只需使用陶瓷輸出電容，一般就能在C'uk(負)輸出軌上輕松實現(xiàn)低輸出紋波(低至1 mV)，因為輸出電流是連續(xù)的，像降壓轉換器的輸出電流一樣。

在SEPIC(正)軌上，輸出電流是斷續(xù)的，像降壓轉換器的輸入電流一樣，這導致流入輸出電容的電流發(fā)生階躍變化。即便使用陶瓷電容，由于其電感影響，這些開關尖峰也不能得到很好的衰減。因此，常常需要在SEPIC繞組的輸出端放置一個小的阻尼輸出pi濾波器。

圖10. 輸出濾波器原理圖

雖然該濾波器會以值得注意的新方式影響小信號模型，但本應用筆記不會詳細討論這一問題。只要根據(jù)方程式31和方程式32選擇阻尼電阻，并且將轉換器的交越設計在ωo的十分之一或更低，則pi濾波器應不會引起電路不穩(wěn)定。

利用功率器件選型要點部分的方程式，COUT1應針對約2%的輸出紋波進行選擇，COUT2應與C'uk輸出端的輸出電容匹配。Lfilt的合理值一般是1 μH,Qo應設為1.

ADP161x設計工具

ADP161x SEPIC-C'uk設計工具是一款基于Excel?的完全集成設計器，支持以SEPIC-C'uk配置使用ADP161x芯片。一旦用戶啟用宏(可能需要更改Excel的安全設置)，就會出現(xiàn)Enter Inputs(輸入信息)對話框，也可以通過點擊Find Solution(查找解決方案)按鈕找到該對話框。在對話框中，輸入設計所要求的電壓和電流，并選擇是否優(yōu)化成本、損耗或尺寸。

點擊View Solution(查看解決方案)按鈕，設計工具將輸出一個完整的優(yōu)化設計，包括帶價格和補償值的BOM、精確并經(jīng)過測試的效率-負載曲線、功率損耗-負載曲線、滿載波特圖、性能參數(shù)、器件應力以及每個器件的功耗。此外，Build Your Design(構建設計)選項卡提供同樣的BOM,但器件安排在空白演示板(ADP161x-BL3-EVZ)上，并且會提供配置演示板所需的任何額外器件。

圖11. 基本輸入對話框

Advanced Settings(高級設置)對話框提供其他定制工具，用戶可以選擇輸出電壓紋波、電流、瞬態(tài)響應、可選輸出濾波器使用、外部UVLO等參數(shù)指標。關于這些選項功能的詳細說明，請點擊Enter Inputs(輸入信息)對話框中的Program Details(程序詳情)按鈕，可打開Program Details(程序詳情)對話框。

圖12. 高級輸入對話框

該工具最強大的功能之一是User Interface(用戶接口)選項卡中的器件按鈕。利用該功能，用戶可以更改各個器件，全面定制設計。

先從成千上萬器件組成的數(shù)據(jù)庫中預選出下拉列表中的各器件，產(chǎn)生一個功能設計;然后根據(jù)Enter Inputs(輸入信息)對話框中選擇的優(yōu)化條件進行排序。不同器件之間存在關聯(lián)，因此必須從上至下依次選擇器件。

實驗結果

為了證明該設計工具的有效性，我們利用該工具完成了一項設計，要求如下：5 VIN、±5 VOUT、50 mA,高級規(guī)格如圖11和圖12所示。此外，我們更換了二極管，使損耗稍低些。10 mA左右時參差不齊效率的曲線是轉換器進入斷續(xù)模式引起的。一旦兩個開關均斷開，開關節(jié)點響鈴振蕩便會在特定負載電流時引起零電壓切換。該電路的原理圖如圖14所示。

圖13. 效率驗證

圖14. 測試電路原理圖

結束語

總之，SEPIC-C'uk提供了一種低成本的可靠途徑，可以僅用一個控制器來產(chǎn)生兩個供電軌。ADIsimPOWER?設計工具支持完全定制設計，能夠迅速構建魯棒的SEPIC-C'uk設計。