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效率優于反激式拓撲的SEPIC電源方案

發布時間:2008/5/27 0:00:00 訪問次數:929

        

    

    

    在很多時候,設計者們總是要面對一組非孤立存在的電源規格參數,其中輸出電壓介于輸入電壓的最大值與最小值之間。他們必須在sepic及反激式拓撲之間作出選擇。通常,他們會選擇反激式拓撲,主要原因是對sepic缺乏了解,而這種選擇可能并不是最合理的。

    

    表1列出了汽車立體聲音響系統的一組電氣規格參數。可以看到輸入電壓范圍非常大,從10v到40v,其中10v的電壓在大電流以及天氣很冷的情況下使用,而在汽車的電池斷開時會出現40v的浪涌。15v輸出電壓是輸入電壓范圍的中間值,需要一個對輸入電壓降壓-升壓的拓撲。輸出功率大約是26w,此功率在電源效率不太好時會引起散熱問題。

    

    

    

    表1:典型汽車立體聲音響系統的一組電氣規格

    

    以這些規格為實例,圖1是最后設計出的電源硬件原型,左邊是sepic,右邊是反激式拓撲。兩種設計看上去很像,但是sepic的耦合電感要比反激式拓撲的大。在輕負載條件下,sepic轉換器在連續電流模式(ccm)下工作時需要較多的能量儲存,因而需要較大尺寸的磁性元件。

    

    

    

    圖1:典型汽車立體聲音響系統電源演示板

    (左邊為sepic,右邊為反激式拓撲)

    

    圖2是兩種拓撲簡化的功率轉換級電氣原理圖。圖中反激式拓撲也是在ccm模式下工作。電源開關q3接通,變壓器開始充電,q3斷開,變壓器的次級電壓反轉,電流通過d6到達輸出端。變壓器輸出等額的電量為輸出電容充電,并輸送至負載。通過控制占空比及進入系統的能量增加可以實現對電源的調節。電源開關及二極管都是工作在非箝位感應開關(uis)模式,換句話說,施加在電源開關及二極管上的電壓在很大程度上由變壓器的漏感與雜散電容來控制。

    

    

    

    圖2:sepic(左)及反激式拓撲(右)的簡化電氣原理圖

    

    圖2中的sepic 轉換器也是在連續電流模式(ccm)下工作。q6接通后,c26的正極接地,此時變壓器t2的主次級線圈匝比相同,就會在c26的負極施加一個與變壓器輸入端相等的負電壓。也就是說電容上會有一個所示極性的輸入電壓,在這個電路中,當開關導通時,電能不斷儲存在初級電感中;電流流入次級電感及耦合電容(c26),以均衡其電量。開關斷開,q6上的電壓開始消失;一個來自初級線圈 (通過c26)與次級線圈(通過 d9)的電流形成了輸出電流。

    

    此電路的優點在于場效應管(fet)電壓與二極管電壓都被電容器箝制住了,所以電路的瞬時擾動很小。不過耦合電容器c26上出現很大的紋波電流就像是sepic為此 “付出的代價”。然而,此紋波電流在一定程度上會被c19的連續輸入電流所產生的紋波電流(比前者小很多)抵消。sepic拓撲電路的另一個優點就是能從輸入端吸取電能并同時輸送到輸出端,很像一個自耦變壓器。因為功率開關不必處理全部功率傳輸,所以這種電路具有更高的效率。

    

    表 2 從理論分析及具體數字兩個方面比較了這兩種拓撲的重要電路參數。此表假設電感紋波電流很小(大電感),所用的是理想二極管。同時假設反激式拓撲占空比是最大值50%。比較反激式拓撲的輸入電容與sepic 的耦合電容時就會發現:兩種拓撲的電容紋波電流很相似。這兩個電容器應該有相近的額定電壓,因為它們都是由輸入電壓來充電的。兩種拓撲都有很大的交流紋波電流,必須使用低等效串聯電阻(esr)電容器。

    

    

    

    表2:反激式拓撲和sepic轉換器設計參數的綜合比較。(假設電感l足夠大,二極管是理想二極管)

    

    以上面的設計為例,由于與反激式電源相比,sepic的占空比較大,二極管也需要較長的反偏時間,所以需要稍微大一點的輸入電容。表3也給出了兩種電源的fet電壓及二極管電壓最大值。反激式拓撲的

        

    

    

    在很多時候,設計者們總是要面對一組非孤立存在的電源規格參數,其中輸出電壓介于輸入電壓的最大值與最小值之間。他們必須在sepic及反激式拓撲之間作出選擇。通常,他們會選擇反激式拓撲,主要原因是對sepic缺乏了解,而這種選擇可能并不是最合理的。

    

    表1列出了汽車立體聲音響系統的一組電氣規格參數。可以看到輸入電壓范圍非常大,從10v到40v,其中10v的電壓在大電流以及天氣很冷的情況下使用,而在汽車的電池斷開時會出現40v的浪涌。15v輸出電壓是輸入電壓范圍的中間值,需要一個對輸入電壓降壓-升壓的拓撲。輸出功率大約是26w,此功率在電源效率不太好時會引起散熱問題。

    

    

    

    表1:典型汽車立體聲音響系統的一組電氣規格

    

    以這些規格為實例,圖1是最后設計出的電源硬件原型,左邊是sepic,右邊是反激式拓撲。兩種設計看上去很像,但是sepic的耦合電感要比反激式拓撲的大。在輕負載條件下,sepic轉換器在連續電流模式(ccm)下工作時需要較多的能量儲存,因而需要較大尺寸的磁性元件。

    

    

    

    圖1:典型汽車立體聲音響系統電源演示板

    (左邊為sepic,右邊為反激式拓撲)

    

    圖2是兩種拓撲簡化的功率轉換級電氣原理圖。圖中反激式拓撲也是在ccm模式下工作。電源開關q3接通,變壓器開始充電,q3斷開,變壓器的次級電壓反轉,電流通過d6到達輸出端。變壓器輸出等額的電量為輸出電容充電,并輸送至負載。通過控制占空比及進入系統的能量增加可以實現對電源的調節。電源開關及二極管都是工作在非箝位感應開關(uis)模式,換句話說,施加在電源開關及二極管上的電壓在很大程度上由變壓器的漏感與雜散電容來控制。

    

    

    

    圖2:sepic(左)及反激式拓撲(右)的簡化電氣原理圖

    

    圖2中的sepic 轉換器也是在連續電流模式(ccm)下工作。q6接通后,c26的正極接地,此時變壓器t2的主次級線圈匝比相同,就會在c26的負極施加一個與變壓器輸入端相等的負電壓。也就是說電容上會有一個所示極性的輸入電壓,在這個電路中,當開關導通時,電能不斷儲存在初級電感中;電流流入次級電感及耦合電容(c26),以均衡其電量。開關斷開,q6上的電壓開始消失;一個來自初級線圈 (通過c26)與次級線圈(通過 d9)的電流形成了輸出電流。

    

    此電路的優點在于場效應管(fet)電壓與二極管電壓都被電容器箝制住了,所以電路的瞬時擾動很小。不過耦合電容器c26上出現很大的紋波電流就像是sepic為此 “付出的代價”。然而,此紋波電流在一定程度上會被c19的連續輸入電流所產生的紋波電流(比前者小很多)抵消。sepic拓撲電路的另一個優點就是能從輸入端吸取電能并同時輸送到輸出端,很像一個自耦變壓器。因為功率開關不必處理全部功率傳輸,所以這種電路具有更高的效率。

    

    表 2 從理論分析及具體數字兩個方面比較了這兩種拓撲的重要電路參數。此表假設電感紋波電流很小(大電感),所用的是理想二極管。同時假設反激式拓撲占空比是最大值50%。比較反激式拓撲的輸入電容與sepic 的耦合電容時就會發現:兩種拓撲的電容紋波電流很相似。這兩個電容器應該有相近的額定電壓,因為它們都是由輸入電壓來充電的。兩種拓撲都有很大的交流紋波電流,必須使用低等效串聯電阻(esr)電容器。

    

    

    

    表2:反激式拓撲和sepic轉換器設計參數的綜合比較。(假設電感l足夠大,二極管是理想二極管)

    

    以上面的設計為例,由于與反激式電源相比,sepic的占空比較大,二極管也需要較長的反偏時間,所以需要稍微大一點的輸入電容。表3也給出了兩種電源的fet電壓及二極管電壓最大值。反激式拓撲的

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