SPEIC轉換器的設計 (含電路圖)

SPEIC轉換器的設計 (含電路圖)

1、介紹
在SPEIC（單端初級電感轉換器）設計中，輸出電壓可以低於或者高於輸入電壓。圖1所示的SPEIC使用兩個電感L1和L2，這兩個電感可以繞在同一個磁芯上，因為在整個開關周期內(nèi)加在它們上面的電壓是一樣的。使用耦合電感比起使用兩個獨立的電感可以節(jié)省PCB的空間并且可以降低成本。電容Cs把輸出和輸入進行絕緣并且為負載短路提供保護。圖2和圖3是SPEIC的電流流動方向和開關波形。?
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圖1、SPEIC的結構

圖2、SPEIC電流流向（上∶Q1處於開期間；下∶Q1處於關期間）

圖3、SPEIC的開關波形（VQ1∶Q1漏源電壓）

2、電感的選擇
使紋波電流峰峰值為最小輸入電壓時最大輸入電流的40％是一個確定電感值的好方法。在數(shù)值相同的電感L1和L2中流動的紋波電流由下面公式算出∶

電感值由下式計算∶

Fsw為開關頻率，Dmax是最小Vin時的占空比。維持電感發(fā)揮作用的電感峰值電流還沒有飽和，可由下式計算∶

如果L1和L2繞在同一個磁芯上，因為互感作用上式中的電感值就可用2L代替。電感值可這樣計算∶

3、功率MOSFET的選擇

最小閾值電壓Vth（min）、導通電阻RDS(ON)、柵漏電荷QGD和最大漏源電壓VDS（max）是選擇MOSFET的關鍵參數(shù)。邏輯電平或者子邏輯電平閾值MOSFET應該根據(jù)柵極電壓使用。峰值開關電壓等於Vin＋Vout。峰值開關電流由下式計算∶

流過開關的RMS電流由下式給出∶

MOSFET的散耗功率PQ1大概是∶

PQ1，MOSFET總的功耗包括導通損耗（上式第一項）和開關損耗（上式第二項）。Ig為柵極驅動電流。RDS(ON)值應該選最大工作結溫時的值，一般在MOSFET資料手冊中給出。要確保導通損耗加上開關損耗不會超過封裝的額定值或者超過散熱設備的極限。

4、輸出二極體的選擇

選擇能夠承受峰值電流和反向電壓的二極體。在SPEIC中，二極體的峰值電流跟開關峰值電流IQ1peak相同。二極體必須承受的最小反向峰值電壓是∶

跟升壓轉換器相似，二極體的平均電流跟輸出電流相同。二極體的功耗等於輸出電流乘以二極體的正向壓降。為了提高效率建議使用肖特基二極體。

5、SPEIC耦合電容的選擇

SEPIC電容Cs的選擇主要看RMS電流（有效電流），可由下式得出∶

SEPIC電容必須能夠承受跟輸出功率有關的大有效電流。這種特性使SEPIC特別適用於流過電容的有效電流（跟電容技術有關）相對較小的小功率應用。SEPIC電容的電壓額定值必須大於最大輸入電壓。鉭電容和陶瓷電容是SMT的首選，它們具有很高的額定有效電流值，額定有效電流值跟電容的尺寸有關。穿心電解電容尺寸不受限制并且能夠提供需要的額定有效電流，也比較好用。

Cs的紋波電壓的峰峰值可以這樣計算∶

（1）

滿足需要的有效電流的電容在Cs上一般不會產(chǎn)生太大的紋波電壓，因此峰值電壓通常接近輸入電壓。

6、輸出電容的選擇

在SEPIC中，當電源開關Q1打開時，電感充電，輸出電流由輸出電容提供。因此輸出電容會出現(xiàn)很大的紋波電流。選定的輸出電容必須能夠提供最大的有效電流。輸出電容上的有效電流是∶

（2）

圖4、輸出紋波電壓

ESR、ESL和大容量的輸出電容直接控制輸出紋波。如圖4所示，假設一半紋波跟ESR有關，另外一半跟容量有關，因此

輸出電容必須滿足有效電流、ESR和容量的需求。在表面貼裝應用中，建議在輸出端采用鉭電容，聚合物電解電容和聚合物鉭電容或者多層陶瓷電容。

7、輸入電容的選擇

跟升壓轉換器相似，SEPIC的輸入端有個電感，因此輸入電流的波形是連續(xù)的三角形形狀。電感保證輸入電容上僅有很低的紋波電流。輸入電容的有效電流這樣計算∶

輸入電容必須能夠承受有效電流。在SEPIC應用中雖然對輸入電容的要求不是很嚴格，但是用10uF或者更大的電容可以使電路免受輸入電源內(nèi)阻的影響。
7、SEPIC設計示例
輸入電壓（Vin）∶3.0V－5.7V
輸出電壓（Vout）∶3.3V
輸出電流（Iout）∶2A
開關頻率∶330KHz
本例中使用LM3478控制器。電路圖如圖5所示。

圖5、原理圖
第一步∶占空比計算假設VD為0.5V，

第二步∶電感計算輸入電感L1的紋波電流是∶

L1和L2的電感值是∶

最靠近標準值的是4.7uH。輸入電感的峰值電流是∶

L2的峰值電流是∶

第三步∶選擇功率MOSFET
MOSFET的峰值電流是∶

有效電流是∶

MOSFET的額定漏極電壓必須高於Vin＋Vout。設計中選擇了Si4442DY（RDS(ON)＝8mΩ，QGD＝10nC）。LM3487的柵極驅動電流Ig為0.3A。估計功耗為∶

第五步∶選擇SEPIC耦合電容
Cs的有效電流是∶

紋波電壓是∶

選擇10uF陶瓷電容。

第六步∶選擇輸出電容輸出電容的有效電流是∶

假設紋波是輸出電壓3.3V的2％，輸出電容的ESR為∶

容量是∶

使用兩個100uF（ESR為6mΩ）陶瓷電容。對成本要求高的應用可以用一個電解電容和一個陶瓷電容代替。對雜訊要求嚴格的應用可以加一個二階濾波器。
第七步∶選擇輸入電容
輸入電容的有效電流是∶

第八步∶回饋電阻，電流感測電阻計算和頻率設定電阻分壓器中，R1是上電阻，R2是下電阻?；仞亝⒖茧妷菏?.26V。如果R1＝20KΩ，那麼∶

LM3478觸發(fā)電流保護電路的閾值電壓是120mV。120mV補償斜率電壓降後大約為75mV。因此感測電阻值是∶

工作頻率為330KHz時Rf大約為50KΩ。
第九步∶補償設計
在對峰值電流模式控制的SEPIC轉換器的輸出傳輸函數(shù)的處理中，負載極點估計為1/(2πRLCout)；輸出電容的ESR零點是1/(2πESRCout)，這里RL是負載電阻，Cout為輸出電容，ESR是輸出電容的等效串聯(lián)電阻。同時有一個右半平面零點（fRHPZ），由下式求得∶

同時也發(fā)現(xiàn)在振幅圖中SEPIC電容Cs和電感L2構成的網(wǎng)路的振蕩頻率處有小干擾∶

交叉頻率是fRHPZ或者fR的六分之一，不管哪個都比較低∶

Cc1、Cc2和Rc構成一個補償網(wǎng)路，在1/(2πRcCc1)處有一個零點，原點處有一個極點，另外一個極點在1/(2πRcCc2)處。

Vref是1.26V的參考電壓，Vout是輸出電壓，Gcs是電流感測增益（大約是1/Rsn）100A/V，Gma為誤差放大器的跨導（800uΩ）。Rc用來設定希望的交叉頻率。