一種快速實現(xiàn)SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器新型設(shè)計工具

簡介

雖然軌到軌單電源運算放大器已得到廣泛使用，但仍然常常需要由單一（正）輸入供電軌產(chǎn)生兩個供電軌（例如±15 V），以便為模擬信號鏈的不同部分供電。這些部分的電流一般較低（例如10 mA至500 mA），正負電源具有相對匹配良好的負載。

該問題的一種解決方案是使用兩個不同的轉(zhuǎn)換器，一個提供正供電軌，一個提供負供電軌。這樣做成本高昂，而且正如本應用筆記所示，也沒有必要。另一種解決方案是使用一個反激式轉(zhuǎn)換器，然而，兩個電源在差分負載下往往不能非常好地保持一致，需要較大且昂貴的變壓器，而且效率低下。

更好的解決方案是使用一個SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器，該拓撲結(jié)構(gòu)由連接到同一開關(guān)節(jié)點的一個輸出不受調(diào)節(jié)的C'uk轉(zhuǎn)換器和一個輸出受到調(diào)節(jié)的SEPIC轉(zhuǎn)換器組成。這一組合產(chǎn)生的兩個電源幾乎能在所有條件下都非常好地保持一致，除非負載100%不匹配。

對該轉(zhuǎn)換器的工作原理及使用ADI公司ADP161x的實現(xiàn)方案進行分析，證明這種拓撲結(jié)構(gòu)功能全面。此外，本文將介紹一種革命性的新型設(shè)計工具，它有助于在用戶應用中快速實現(xiàn)SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器。

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圖1. SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器原理圖

拓撲結(jié)構(gòu)描述

初看起來，SEPIC-C'uk似乎是一個很復雜的轉(zhuǎn)換器，具有四個不同的電感和開關(guān)。但是，可以將它看作由兩個轉(zhuǎn)換器組成，從而簡化分析。對于SEPIC或C'uk轉(zhuǎn)換器，Q1和Q2開關(guān)以相反的相位工作。圖2顯示SEPIC轉(zhuǎn)換器在兩種不同開關(guān)狀態(tài)下的電流流向。

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圖2. SEPIC轉(zhuǎn)換器的電流流向

雖然并不十分明顯，但傳輸電容（C1）的電壓約為恒定的VIN（帶很小的紋波）。

圖4所示為SEPIC轉(zhuǎn)換器的理想波形。當Q1導通時，SN2的電壓等于-VIN.因此，在Q1導通（Q2斷開）期間，L1a和L1b上的電壓為VIN;當Q1斷開（Q2導通）時，L1a和L1b上的電壓為-VOUT.應用電感伏秒平衡原理，可以計算穩(wěn)態(tài)直流轉(zhuǎn)換比，如方程式1所示。D為轉(zhuǎn)換器的占空比（開關(guān)周期中Q1導通時間所占的比例）。

C'uk轉(zhuǎn)換器的工作方式與SEPIC轉(zhuǎn)換器相似，但是，開關(guān)Q2接地，而不是連接到輸出端，電感L2b連接到輸出端，而不是接地。圖3顯示C'uk轉(zhuǎn)換器在兩種開關(guān)位置時的電流流向。

C'uk是一個負輸出轉(zhuǎn)換器，因此流出負載的電流為其提供能量。

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圖3. C'uk轉(zhuǎn)換器的電流流向

C'uk轉(zhuǎn)換器的理想波形如圖4所示。應用電感伏秒平衡和電容電荷平衡的原理，可知C1上的電壓為VIN + VOUT.因此，SN2開關(guān)節(jié)點在GND（當Q2閉合時）與-（VIN + VOUT）之間切換。當Q1導通（Q2斷開）時，L2a和L2b上的電壓為VIN;當Q1斷開（Q2導通）時，L2a和L2b上的電壓為-VOUT。

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圖4. SEPIC理想波形比較

圖4和圖5中的波形可知，C'uk中電感上的電壓與SEPIC中的情況完全相同。因此，C'uk的占空比關(guān)系式恰好為SEPIC的負值，如方程式2所示。

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圖5. C'uk理想波形

由于占空比關(guān)系式大小相等但符號相反，開關(guān)節(jié)點（SN1）電壓相同，電感電流相同，因此可以簡單地將這兩個轉(zhuǎn)換器同時連接到節(jié)點SN1.合并后的轉(zhuǎn)換器如圖1所示。

Q2和Q3由二極管取代，因為這些電源一般是低功率模擬電源，適合使用異步控制器。此外，兩個電感（L1a和L2a）并聯(lián)，這是因為L1a和L1b、L2a和L2b通過兩個獨立的耦合電感耦合在一起，由此會帶來多項好處。

耦合電感可將電感中的電流紋波降低兩倍（參見"參考文獻"部分引用的C'uk-Middlebrook論文）。此外，它可以消除方程式3和方程式4所確定的SEPIC和C'uk諧振，從而顯著降低小信號模型的復雜度，并且支持更高的帶寬。這樣，我們就能使用種類眾多的現(xiàn)成器件，而不必局限于為數(shù)不多的三繞組1:1:1電感。

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也可以使用Coilcraft Hexapath系列等六繞組器件或定制的三繞組變壓器。

耦合系數(shù)的限制