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DC-DC----SEPIC升降壓

引言：與一個(gè)反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相類似，一個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)單個(gè)MOSFET(S1) 和一個(gè)單個(gè)二極管D1 (S2)，SEPIC轉(zhuǎn)換器中的MOSFET和二極管對(duì)于電壓和電流的需求與反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中此類元件的電壓和電流需求相類似。同樣MOSFET和二極管的功率損耗也是相似的。在另一方面，SEPIC轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)額外的電感器(L2) 和一個(gè)額外的交流耦合電容器(C1)。

【資料圖】

圖12-1：SEPIC拓?fù)浜?jiǎn)圖

1.SEPIC的工作路徑

基本拓?fù)淙鐖D12-1所示，可以看做是左側(cè)的升壓電路經(jīng)電容C1耦合到右側(cè)的升降壓電路然后輸出。

圖12-2：開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)電流路徑

如圖12-2，當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通的時(shí)候，輸入的電壓對(duì)電感L1充電，形成的回路是：電源正極→電感L1→電源負(fù)極。電容C1在上一周期開關(guān)關(guān)閉時(shí)充了能，在本周期開關(guān)導(dǎo)通時(shí)要將這部分能量釋放，C1將給電感L2充能，此時(shí)S2二極管VD截止，輸出電壓由電容Cout維持。

圖12-3：開關(guān)S1關(guān)斷時(shí)電流路徑

如圖12-3，當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，輸入的能量和電感能量一起向輸出提供能量，形成的回路是：輸入Vin→電感L1→電容C1→S2二極管D→負(fù)載Rload，電感L2也形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過S2二極管VD續(xù)流，形成的回路是：電感L2→S2二極管D→負(fù)載Rload。

2.SEPIC的工作波形

圖12-4和圖12-6顯示了一個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器和其CCM模式下的理想波形。一個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比率為Vout/Vin=D/1-D，表示正向輸出電壓和降壓-升壓能力。

圖12-4：L1/C1/S2同時(shí)序工作波形

圖12-5：SEPIC拓?fù)浜?jiǎn)圖

圖12-6：L1/L2/S1同時(shí)序工作波形

3.SEPIC關(guān)鍵公式推導(dǎo)

從以上原理分析可知，SEPIC電路在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感L1、L2充能，C1放能；在開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感L1、L2放能，C1充能，電容C1起到能量耦合傳遞的作用。根據(jù)伏秒定律（傳送門：DC-DC-1：DC-DC的原理以及構(gòu)成），兩個(gè)電感在開關(guān)導(dǎo)通和開關(guān)關(guān)斷階段的電流變化量是相等的，對(duì)于左側(cè)電感L1，其on時(shí)間段內(nèi)電流變化量為：

off時(shí)間段內(nèi)電流變化量為：

即：

對(duì)于右側(cè)電感L2，on和off時(shí)間段內(nèi)的電流變化量為：

即：

聯(lián)立這兩個(gè)等式，消去VC1，可得：

4.小結(jié)

在一個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器中，L1的平均電感器電流等于輸入電流 (Iin)，而L2的平均電感器電流等于輸出電流 (Iout)。相反地，反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的單個(gè)電感器的電流值為Iin+Iout的平均值。耦合電容器C1上會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于輸入電流和輸出電流的高值均方根 (RMS) 電流,這會(huì)生成額外的功率損耗，并減少轉(zhuǎn)換器的總體效率。

為了減少功率損耗，需要使用具有低ESR的陶瓷電容器，而這樣通常會(huì)使成本增加。SEPIC轉(zhuǎn)換器中與額外耦合電容器相耦合的額外電感器會(huì)增加印刷電路板 (PCB) 的尺寸以及總體解決方案成本。耦合電感器可被用來替代兩個(gè)單獨(dú)的電感器，以便減少PCB尺寸。但是相對(duì)于單獨(dú)的電感器，現(xiàn)貨供應(yīng)的耦合電感器的選擇范圍有限。有時(shí)需要定制設(shè)計(jì)，這也增加了成本，是選擇獨(dú)立的L1和L2還是耦合的L1/L2，需要權(quán)衡選擇。