效率优于反激式拓扑的sepic电源方案

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1、效率优于反激式拓扑的SEPIC电源方案  在很多时候，设计者们总是要面对一组非孤立存在的电源规格参数，其中输出电压介于输入电压的最大值与最小值之间。他们必须在SEPIC及反激式拓扑之间作出选择。通常，他们会选择反激式拓扑，主要原因是对SEPIC缺乏了解，而这种选择可能并不是最合理的。 表1列出了汽车立体声音响系统的一组电气规格参数。可以看到输入电压范围非常大，从10V到40V，其中10V的电压在大电流以及天气很冷的情况下使用，而在汽车的电池断开时会出现40V的浪涌。15V输出电压是输入电压范围的中间值，需要一个对输入电压降压-升压的拓扑。输出功率大约是26W，此

2、功率在电源效率不太好时会引起散热问题。 表1：典型汽车立体声音响系统的一组电气规格以这些规格为实例，图1是最后设计出的电源硬件原型，左边是SEPIC，右边是反激式拓扑。两种设计看上去很像，但是SEPIC的耦合电感要比反激式拓扑的大。在轻负载条件下，SEPIC转换器在连续电流模式(CCM)下工作时需要较多的能量储存，因而需要较大尺寸的磁性元件。  图1：典型汽车立体声音响系统电源演示板 (左边为SEPIC，右边为反激式拓扑)图2是两种拓扑简化的功率转换级电气原理图。图中反激式拓扑也是在CCM模式下工作。电源开关Q3接通，变压器开始充电，Q3断开，变压器的次级电压反

3、转，电流通过D6到达输出端。变压器输出等额的电量为输出电容充电，并输送至负载。通过控制占空比及进入系统的能量增加可以实现对电源的调节。电源开关及二极管都是工作在非箝位感应开关(UIS)模式，换句话说，施加在电源开关及二极管上的电压在很大程度上由变压器的漏感与杂散电容来控制。  图2：SEPIC(左)及反激式拓扑(右)的简化电气原理图图2中的SEPIC 转换器也是在连续电流模式(CCM)下工作。Q6接通后，C26的正极接地，此时变压器T2的主次级线圈匝比相同，就会在C26的负极施加一个与变压器输入端相等的负电压。也就是说电容上会有一个所示极性的输入电压，在这个电路

4、中，当开关导通时，电能不断储存在初级电感中；电流流入次级电感及耦合电容(C26)，以均衡其电量。开关断开，Q6上的电压开始消失；一个来自初级线圈 (通过C26)与次级线圈(通过 D9)的电流形成了输出电流。 此电路的优点在于场效应管(FET)电压与二极管电压都被电容器箝制住了，所以电路的瞬时扰动很小。不过耦合电容器C26上出现很大的纹波电流就像是SEPIC为此 “付出的代价”。然而，此纹波电流在一定程度上会被C19的连续输入电流所产生的纹波电流(比前者小很多)抵消。SEPIC拓扑电路的另一个优点就是能从输入端吸取电能并同时输送到输出端，很像一个自耦变压器。因为功

5、率开关不必处理全部功率传输，所以这种电路具有更高的效率。 表 2 从理论分析及具体数字两个方面比较了这两种拓扑的重要电路参数。此表假设电感纹波电流很小(大电感)，所用的是理想二极管。同时假设反激式拓扑占空比是最大值50%。比较反激式拓扑的输入电容与SEPIC 的耦合电容时就会发现：两种拓扑的电容纹波电流很相似。这两个电容器应该有相近的额定电压，因为它们都是由输入电压来充电的。两种拓扑都有很大的交流纹波电流，必须使用低等效串联电阻(ESR)电容器。  表2：反激式拓扑和SEPIC转换器设计参数的综合比较。(假设电感L足够大，二极管是理想二极管) 以上面的设计为例，

6、由于与反激式电源相比，SEPIC的占空比较大，二极管也需要较长的反偏时间，所以需要稍微大一点的输入电容。表3也给出了两种电源的FET电压及二极管电压最大值。反激式拓扑的FET看上去有一个更低的“平顶(flat-top)”电压。但是，它必须开关一个没有被箝制的电感，这样它的电压最终会比SEPIC FET的大得多。反激式拓扑二极管的峰值反向电压(PIV)以一个比SEPIC大的电压值开始，而且还会有一个非箝位感应开关毛刺，这使得二极管的峰值反向电压很不理想。 在本例中，电压参数使得肖特基二极管在反激式拓扑中不能使用，而必须使用传导损耗更高且效率更低的超快二极管。反激式

7、变压器的漏感在电源开关以及输出二极管上引起的电压毛刺通常要求使用电压钳和/或者使用缓冲电路来限制该峰值电压，这样会进一步降低效率。反激式拓扑的FET均方根电流同样要比SEPIC小，这会降低工作时反激式拓扑的电导损耗。在元件方面，反激式拓扑电源唯一的优点就是磁性元件可以更小。电感的体积与所需储备的能量L*I2相关，反激式拓扑电源的存储能量大约是SEPIC的三分之一。高能量储存需求是SEPIC采用尺寸大得多的电感的原因，如图1所示。  图3：反激式转换器设计图图3和图4是图1所示硬件原型演示电路的电气原理图。每个电路都只占据略大于3平方英寸的面积。SEPIC的电感高

8、度是反激式电源中最高元件