基于 zeta 拓扑结构的 dcdc 转换器设计

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1、基于ZETA拓扑结构的DC/DC转换器设计作者：JeffFalin，德州仪器(TI)高级应用工程师基本工作原理图1显示了ZETA转换器的简单电路图，其由一个输入电容CIN、一个输出电容COUT、耦合电感L1a和L1b、一个AC耦合电容CC、一个功率PMOSFET即Q1，以及一个二极管D1组成。图2显示了Q1为开启状态和Q1为关闭状态时，在CCM下运行的转换器。图1ZETA转换器的简单电路图若想要知道各个电路节点的电压，在两个开关都为关闭状态且无开关操作时对DC条件下的电路进行分析很重要。电容CC与COUT并联，因此在稳态CCM期间CC被充电至输出电压V

2、OUT。图2显示了CCM运行期间L1a和L1b的电压。图2CCM运行期间的ZETA转换器Q1关闭时，L1b的电压必须为VOUT，因为其与COUT并联。由于COUT被充电至VOUT，因此Q1关闭时Q1的电压为VIN+VOUT；这样一来，L1a的电压便为相对于Q1漏极的–VOUT。Q1开启时，充电至VOUT的电容CC与L1b串联；因此L1b的电压为+VIN，而二极管D1的电压则为VIN+VOUT。图3显示了通过各种电路组件的电流。Q1开启时，输入电源的能量被存储在L1a、L1b和CC中。L1b还提供IOUT。Q1关闭时，CC持续为L1a提供电流，而L1b再

3、次提供IOUT。图3CCM期间ZETA转换器的分量电流占空比假设100%效率占空比D，用于CCM运行的ZETA转换器，其为：它还可以被重写为：Dmax出现在VIN(min)，而Dmin出现在VIN(max)。选择无源组件设计任何PWM开关调节器的首要步骤之一便是决定允许多少电感纹波电流ΔIL(PP)。过多会增加EMI，而过少又会导致不稳定的PWM运行。一般原则是给K分配一个介于0.2和0.4平均输入电流之间的值。理想纹波电流的计算如下：在理想紧密型耦合电感中，每个电感的单芯上都有相同的绕组数，这时耦合迫使纹波电流在两个耦合电感之间等分。在现实耦合电感中

4、，电感并没有相等的电感，并且纹波电流也不会完全相等。无论如何，在理想纹波电流值的情况下，如果存在两个单独的电感，则我们将耦合电感中要求的电感估算为实际需要的一半，如方程式4所示：为了能够承受负载瞬态，在高端电感中，耦合电感的饱和电流额定值需至少为稳态峰值电流的1.2倍，其计算方法如方程式5所示：请注意，IL1b(PK)=IOUT+ΔIL/2，其小于IL1a(PK)。与降压转换器一样，ZETA转换器的输出有非常低的纹波。方程式6计算了完全由电容值引起的输出纹波电压部分：其中fSW(min)为最小开关频率。方程式7计算了完全由输出电容ESR引起的输出纹波电

5、压部分：请注意，这两个纹波电压部分均被相移，且不直接相加。就低ESR（例如：陶瓷电容）电容而言，可以忽略ESR部分电压。要想满足应用的负载瞬态要求，最小电容限制是必需的。输出电容必须有一个大于电容RMS电流的RMS电流额定值，其计算方法如方程式8：输入电容和耦合电容吸取和下拉的电流电平相同，但开关周期相反。与降压转换器类似，输入电容和耦合电容都需要RMS电流额定值，方程式10a和10b计算了完全由各自电容器电容值引起的输出纹波电压部分：方程式11a和11b计算了完全由各自电容器ESR值引起的输出纹波电压部分：此外，两个纹波电压组成部分均被相移，且不直接

6、相加；同时，就低ESR电容器而言，ESR电压部分再次可以被忽略。典型的纹波值小于输入电容输入电压的0.05倍，也小于耦合电容输出电压的0.02倍。选择有源组件我们必须谨慎选择功率MOSFET，以便它可以处理峰值电压和电流，同时最小化功耗。功率FET的电流额定值可以决定ZETA转换器的最大输出电流。如图3所示，Q1承受了VIN(max)+VOUT的最大电压。Q1的峰值电流额定值必须为在相关环境温度下，FET功耗额定值必须大于传导损耗（FETrDS(on)的函数）和开关损耗（FET栅极电荷的函数）的和，计算方法如方程式13所示：其中，QGD为栅极到漏极电荷

7、，QG为FET的总栅极电荷，IGate为最大驱动电流，而VGate为控制器的最大栅极驱动。Q1的RMS电流为：输出二极管必须要能够处理与Q1相同的峰值电流，即IQ1(PK)。该二极管还必须能够承受大于Q1最大电压（VIN(max)+VOUT）的反向电压，以处理瞬态和振铃问题。由于平均二极管电流为输出电流，因此二极管的封封装必须要能够驱散高达IOUT×VFWD的功率，其中VFWD为肖特基二极管IOUT的正向电压。环路设计ZETA转换器是一种具有多个实复极频和零频的四阶转换器。与SEPIC转换器不同，ZETA转换器没有右半面零点，并且更容易获得补偿，以使用

8、更小的输出电容值达到更大环路带宽和更好负载瞬态结果。参考文献1提供一个基于状态空间平均法的较好