一、sepic電路應(yīng)用

sepic電路應(yīng)用（一）

市電220V首先經(jīng)過變壓器降壓后，通過整流、濾波轉(zhuǎn)換為直流電。由于整流、濾波輸出后的電壓較高，首先進(jìn)行直流電壓的一次降壓，然后供給升降壓SEPIC變換器，采用電位器實(shí)現(xiàn)無極電壓調(diào)節(jié)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集電壓、電流并顯示。另外，輸出回路增加過流保護(hù)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1-1所示。

開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

（一）SEPIC轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

SEPIC轉(zhuǎn)換器又稱為升降壓轉(zhuǎn)換器，是本開關(guān)電源的重要組成部分。選用XL6009開關(guān)升降壓型DC-DC芯片，固定開關(guān)頻率400KHZ。超寬輸入電壓5~32V，超寬輸出電壓1.25~30V，具有自動(dòng)升降壓功能，在工作范圍內(nèi)任意電壓輸出均可穩(wěn)壓任意電壓輸出，最大輸出電流為4A。原理圖如圖2-1所示。

由圖可知XL6009芯片5腳為反饋端，4腳為電壓輸入端，3腳為功率輸出端，2腳為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)端，不用可懸空，1腳為接地端。輸入端需并聯(lián)電解電容以消除噪聲。由于輸入電壓最高32V，考慮各種因素，選擇35V，220uF的固態(tài)電容，并且再并聯(lián)一個(gè)瓷片電容以進(jìn)行高頻去耦。若輸出電壓最大為30V，需保證有一定的裕量，故選擇50V，220uF的固態(tài)電容，且再并聯(lián)一個(gè)瓷片電容以配合。因電感器對(duì)輸出紋波有直接影響，通過計(jì)算兩個(gè)電感均選擇47UH。輸出電壓可調(diào)主要是依靠反饋電阻R1，R2的比值，R2為可調(diào)電位器，R1為固定阻值電阻。通過調(diào)節(jié)R2即可調(diào)節(jié)輸出電壓，得到5~30V之間的任意寬范圍電壓。

（二）TLC2543A/D轉(zhuǎn)換采集電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)對(duì)開關(guān)電源輸出回路進(jìn)行電壓、電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)將檢測(cè)值送給主控芯片，再由主控芯片對(duì)回路進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。A/D轉(zhuǎn)換采集電路圖如圖2-2所示。由圖2-2可知，TLC2543A/D轉(zhuǎn)換芯片11路模擬輸入端口外接所要檢測(cè)的值，電源的正負(fù)極接一去耦電容，以減小輸入芯片的電源紋波。轉(zhuǎn)換芯片還需個(gè)基準(zhǔn)電壓才能進(jìn)行正常的A/D轉(zhuǎn)換，此部分可直接板載電壓或也可用一精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓。雖然外圍電路簡(jiǎn)單，但因是一片較為敏感的芯片，尤其在高速轉(zhuǎn)換時(shí)，極易受到外界干擾使轉(zhuǎn)換值不準(zhǔn)確，這就要求其芯片底部盡可能不要有信號(hào)線或電源線接近。

（三）電壓衰減電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源若輸出可調(diào)電壓5~30V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬輸入量，需對(duì)其進(jìn)行降壓才能輸入給轉(zhuǎn)換芯片，這就采用分壓電路。電壓衰減電路可分為運(yùn)放負(fù)反饋衰減和分壓衰減。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)分壓衰減電路較簡(jiǎn)單，分壓衰減即是通過兩個(gè)電阻串聯(lián)對(duì)電壓進(jìn)行比例分配。其分壓電路如圖2-3所示。

圖2-3分壓電路原理圖

sepic電路應(yīng)用（二）

在不要求主級(jí)電路和次級(jí)電路之間電氣隔離且輸入電壓高于或者低于輸出電壓時(shí)，SEPIC 是一種非常有用的拓?fù)?。在要求短路電路保護(hù)時(shí)，我們可以使用它來代替升壓轉(zhuǎn)換器。SEPIC 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是單開關(guān)工作和連續(xù)輸入電流，從而帶來較低的電磁干擾（EMI）。這種拓?fù)洌ㄈ鐖D1 所示）可使用兩個(gè)單獨(dú)的電感（或者由于電感的電壓波形類似），因此還可以使用一個(gè)耦合電感，如圖所示。因其體積和成本均小于兩個(gè)單獨(dú)的電感，耦合電感頗具吸引力。其存在的缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)電感并非總是針對(duì)全部可能的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 SEPIC 轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)開關(guān)來升降輸出電壓

這種電路的電流和電壓波形與連續(xù)電流模式（CCM） 反向電路類似。開啟Q1 時(shí)，其利用耦合電感主級(jí)的輸入電壓，在電路中形成能量。關(guān)閉Q1 時(shí)，電感的電壓逆轉(zhuǎn)，然后被鉗制到輸出電壓。電容C_AC 便為SEPIC 與反向電路的差別所在;Q1　開啟時(shí)，次級(jí)電感電流流過它然后接地。Q1 關(guān)閉時(shí)，主級(jí)電感電流流過C_AC，從而增加流經(jīng)D1 的輸出電流。相比反向電路，這種拓?fù)涞囊粋€(gè)較大好處是FET 和二極管電壓均受到C_AC 的鉗制，并且電路中很少有振鈴。這樣，我們便可以選擇使用更低的電壓，并由此而產(chǎn)生更高功效的器件。

二、sepic斬波電路波形分析

1、電路結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)分析

圖1 SEPIC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 Q1斷開時(shí)工作狀態(tài)（狀態(tài)1）

圖3 Q1導(dǎo)通時(shí)工作狀態(tài)（狀態(tài)2）

圖1為SEPIC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為MOS管Q1斷開時(shí)電路的工作的工作狀態(tài)，電容Cs處于充電狀態(tài)，電感L1和L2處于放電狀態(tài)。圖3為MOS管Q2導(dǎo)通時(shí)電路的工作狀態(tài)，電容Cs處于放電狀態(tài)，電源給L1充電，電容Cs給電感L2充電。圖2和圖3電路中的電流流向如圖中箭頭所示。

2、sepic斬波電路波形分析

我們構(gòu)建起如圖1 所示電路，并對(duì)其進(jìn)行描述。該電路可在汽車市場(chǎng)獲得應(yīng)用。這里，其擁有一個(gè)8V 到36V 的寬范圍輸入，可以為穩(wěn)定12-V 輸出以上或者以下。汽車市場(chǎng)更喜歡使用陶瓷電容器，原因是其寬溫度范圍、長壽命、高紋波電流額定值和高可靠性。結(jié)果，耦合電容器（C6） 便為陶瓷的。這就意味著，相比電解電容器，它擁有較高的AC 電壓，同時(shí)這種電路會(huì)對(duì)低漏電感值更加敏感。

圖1 SEPIC 轉(zhuǎn)換器可利用一個(gè)單開關(guān)降壓或者升壓

該電路中的兩個(gè)47 uH Coilcraft 電感分別為：一個(gè)非常低漏電感（0.5 uH） 的MSD1260，以及一個(gè)較高漏電感（14 uH） 的MSC1278。圖2 顯示了這兩個(gè)電感的一次電流波形。左邊為MSC1278 電感的輸入電流（流入L1 的引腳1），而右邊為MSD1260 輸入電流波形。左邊的電流為一般情況。電流主要為其三角AC 分量的DC。右邊的波形為利用耦合電感的高AC 電壓以及一個(gè)低漏電感值所得到的結(jié)果。峰值電流幾乎為DC 輸入電流的兩倍，而RMS 電流比高漏電感情況多出50%。

（a）松散耦合 （b）緊密耦合

圖2 低漏電感（右邊）帶來嚴(yán)重的耦合電感回路電流

很明顯，利用緊密耦合電感對(duì)這種電源進(jìn)行電磁干擾（EMI） 濾波會(huì)存在更多的問題。這兩種設(shè)計(jì)之間的AC 輸入電流比約為5：1，也就是說還需要14 dB 的衰減。這種高回路電流產(chǎn)生的第二個(gè)影響是對(duì)轉(zhuǎn)換器效率的影響。由于電源中多出了50% 的RMS電流，傳導(dǎo)損耗將會(huì)增加一倍以上。圖3將這兩種電感的效率進(jìn)行了比較（電路其它部分保持不變）。12V 到12V 轉(zhuǎn)換時(shí)，兩種結(jié)果都很不錯(cuò)——都在90%左右。但是，松散耦合電感在負(fù)載范圍得到的效率高出1 到2 個(gè)百分點(diǎn)，而它的DC 電阻與緊密耦合電感是一樣的。

圖3 由于更少的電流，高漏電感（MSC1278） 產(chǎn)生更高的效率

總之，SEPIC 轉(zhuǎn)換器中的耦合電感可以縮小電源的體積，降低電源的成本。電感并不需要緊密耦合。實(shí)際上，緊密耦合會(huì)增加電源內(nèi)的電流，從而使輸入濾波復(fù)雜化并降低效率。選擇合適漏電感值的最簡(jiǎn)單方法是利用模擬。但是，您也可以先估算出耦合電容器的電壓，然后設(shè)置允許紋波電流，最后計(jì)算得到最小漏電感。

3、CCM和DCM

CCM：Continuous Conduction Mode，（電感電流）連續(xù)導(dǎo)通模式

DCM：Discontinuous Conduction Mode，（電感電流）斷續(xù)導(dǎo)通模式

開關(guān)電源工作于哪種工作模式，在開關(guān)電源頻率不變的情況下，與開關(guān)電源的電感大小以及占空比有關(guān)系。

如果占空比比較小，電源給電感充電的時(shí)間就比較短，電感里面儲(chǔ)存的能量比較少，很快就放電結(jié)束，電路工作在DCM模式下。

如果電路中電感的值比較小，電感中能夠存儲(chǔ)的能量比較少，放電過程也會(huì)非常快，電路工作在DCM模式下。

以L1為例，電路工作在狀態(tài)2時(shí)（即圖3所示狀態(tài)）電感充電，此時(shí)電感產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，電路工作在狀態(tài)1時(shí)（即圖2所示狀態(tài)），電感放電，此時(shí)電感兩端的電壓為左負(fù)右正，給電容充電。電感放電結(jié)束時(shí)，電容Cs左端的電壓一般比電源電壓高，此時(shí)電感L1兩端的電壓為左負(fù)右正，電感出現(xiàn)了振蕩的現(xiàn)象。如圖4所示。

圖4 DCM工作模式下電感兩端的波形

圖4中1，2，3表示電路工作的三個(gè)狀態(tài)，1表示電感處于充電狀態(tài)，2表示電感處于放電狀態(tài)，3表示電感放電完了，電路處于振蕩狀態(tài)。

如果電路中電感的值、MOS管開關(guān)頻率、占空比選擇比較合適的時(shí)候，電路工作在CCM模式，圖5表示CCM模式下電感兩端電壓的波形。

圖5 CCM模式下電感兩端的波形

圖5中1，2表示電路工作的兩個(gè)狀態(tài)，1表示電感處于充電狀態(tài)，2表示電感處于放電狀態(tài)。