利用同步反相SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效率降壓/升壓轉(zhuǎn)換器
發(fā)布時(shí)間:2020-02-04 來(lái)源:Matt Kessler 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】許多市場(chǎng)對(duì)高效率同相 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的需求都在不斷增長(zhǎng),這些轉(zhuǎn)換器能以降壓或升壓模式工作,即可以將輸入電壓降低或提高至所需的穩(wěn)定電壓,并且具有最低的成本和最少的元件數(shù)量。反相 SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)也稱為 Zeta 轉(zhuǎn)換器,具有許多支持此功能的特性(圖 1)。對(duì)其工作原理及利用雙通道同步開關(guān)控制器ADP1877的實(shí)施方案進(jìn)行分析,可以了解其在本 應(yīng)用中的有用特性。
圖1. 反相 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
初級(jí)開關(guān)QH1 和次級(jí)開關(guān)QL1 反相工作。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi),QH1接通,QL1 斷開。電流沿兩條路徑流動(dòng),如圖 2 所示。第一條路徑是從輸入端經(jīng)過(guò)初級(jí)開關(guān)、能量傳輸電容(CBLK2)、輸出電感(L1B)和負(fù)載,最終通過(guò)地流回輸入端。第二條路徑是從輸入端經(jīng)過(guò)初級(jí)開關(guān)、地基準(zhǔn)電感(L1A)和地流回輸入端。
圖 2. 電流流向圖;QH1 閉合,QL1 斷開。
在關(guān)斷期間,開關(guān)位置剛好相反。QL1 接通,QH1 斷開。輸入電容(CIN)斷開,但電流繼續(xù)經(jīng)過(guò)電感沿兩條路徑流動(dòng),如圖 3所示。第一條路徑是從輸出電感經(jīng)過(guò)負(fù)載、地和次級(jí)開關(guān)流回輸出電感。第二條路徑是從地基準(zhǔn)電感經(jīng)過(guò)能量傳輸電容、次級(jí)開關(guān)流回地基準(zhǔn)電感。
圖 3. 能量傳輸圖;QL1 閉合,QH1 斷開。
應(yīng)用電感伏秒平衡原理和電容電荷平衡原理,可以求得方程式 1所規(guī)定的均衡直流轉(zhuǎn)換比,其中 D 為轉(zhuǎn)換器的占空比(一個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間部分)。
(1)
上式表明:如果占空比大于 0.5,輸出端將獲得較高的調(diào)節(jié)電壓(升壓);如果占空比小于 0.5,調(diào)節(jié)電壓會(huì)較低(降壓)。此外還可分析得到其它相關(guān)結(jié)果:在無(wú)損系統(tǒng)中,能量傳輸電容(CBLK2)上的穩(wěn)態(tài)電壓等于VOUT;流經(jīng)輸出電感(L1B)的直流電流值等于IOUT;流經(jīng)地基準(zhǔn)電感(L1A)的直流電流值等于IOUT ×VOUT/VIN。該能量傳輸電容還能提供VIN至VOUT的隔直。當(dāng)存在輸出短路風(fēng)險(xiǎn)時(shí),此特性很有用。
分析還顯示,反相 SEPIC 中的輸出電流是連續(xù)的,對(duì)于給定輸出電容阻抗,會(huì)產(chǎn)生較低的峰峰值輸出電壓紋波。這就允許使用較小、較便宜的輸出電容;相比之下,在非連續(xù)輸出電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,為了達(dá)到同樣的紋波要求,需要使用較大且昂貴的電容。
通常,次級(jí)開關(guān)(QL1)是一個(gè)單向功率二極管,它會(huì)限制這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的峰值效率。然而,利用ADI公司雙通道同步開關(guān)控制器ADP1877(見附錄)的一個(gè)通道,并采用雙向MOSFET作為次級(jí)開關(guān),可以設(shè)計(jì)一個(gè)"完全同步配置"的反相SEPIC。這樣,峰值效率將大大提高,同時(shí)可以降低輸出電流大于 1 A的轉(zhuǎn)換器尺寸和成本。
圖 4 顯示完全同步反相SEPIC配置的功率級(jí),它利用ADP1877 實(shí)現(xiàn),只需要三個(gè)小型、廉價(jià)的額外器件(CBLK1、DDRV和RDRV),其功耗可以忽略不計(jì)。
圖 4. 同步反相 SEPIC 的功率級(jí),利用 ADP1877 的通道 1 實(shí)現(xiàn)
反相SEPIC的理想穩(wěn)態(tài)波形如圖 5 所示。通道 1 開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW1(見附錄圖A)在VIN + VOUT(導(dǎo)通時(shí)間內(nèi))和 0 V(關(guān)斷時(shí)間內(nèi))之間切換。將電荷泵電容CBST連接到SW1,以便在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)將約為VIN + VOUT + 5 V的電壓施加于高端內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器的自舉上電軌(BST1 引腳)和高端驅(qū)動(dòng)器的輸出(DH1 引腳),從而增強(qiáng)初級(jí)浮空N溝道MOSFET開關(guān)QH1。箝位二極管DDRV確保穩(wěn)態(tài)輸出期間CBLK1上的電壓約為VOUT + VFWD(DDRV),該電壓參考ADP1877的DH1 引腳到QH1 柵極的電壓。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi),當(dāng)X節(jié)點(diǎn)電壓約為–VOUT時(shí),CBLK1上的電壓阻止初級(jí)開關(guān)產(chǎn)生高于其閾值的柵極-源極電壓。
圖 5. 同步反相 SEPIC 的理想波形(忽略死區(qū))
ADP1877 具有脈沖跳躍模式,使能時(shí),可以降低開關(guān)速率,只向輸出端提供足以保持輸出電壓穩(wěn)定的能量,從而提高小負(fù)載時(shí)的效率,大大降低柵極電荷和開關(guān)損耗。在同步反相 SEPIC 和同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中均可以使能此模式。圖 4 所示 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路只需要雙通道 ADP1877 的一個(gè)通道,因此另一通道可以用于任一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
電感耦合和能量傳輸電容
圖 4 中,功率電感 L1A 和 L1B 顯示為彼此耦合。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,耦合電感的目的是減少輸出電壓和電感電流的紋波,并且提高最大可能閉環(huán)帶寬,下一部分將對(duì)此加以說(shuō)明。
雖然這些電感互相耦合,但并不希望耦合太緊,以至于將一個(gè)繞組的大量能量通過(guò)鐵芯傳輸至另一個(gè)繞組。為了避免這一點(diǎn),必須求得耦合電感的泄漏電感(LLKG),并選擇適當(dāng)?shù)哪芰總鬏旊娙?CBLK2),使得其復(fù)數(shù)阻抗的幅值為泄漏電感與單個(gè)繞組電阻(DCR)的復(fù)串聯(lián)阻抗的 1/10,如方程式 2、3、4 所示。按照這一關(guān)系設(shè)計(jì)電路,可使耦合鐵芯所傳輸?shù)哪芰拷抵磷畹?。泄漏電感可以根?jù)耦合電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的耦合系數(shù)計(jì)算。
匝數(shù)比最好為 1:1,因?yàn)閷?duì)于給定水平的輸出電壓紋波,此時(shí)各繞組只需要分立電感所需電感的一半1??梢允褂?1:1 以外的匝數(shù)比,但其結(jié)果將無(wú)法用本文中的方程式準(zhǔn)確描述。
小信號(hào)分析和環(huán)路補(bǔ)償
反相 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的完整小信號(hào)分析超出了本文的范圍,不過(guò),如果遵照下述原則,完整分析將更具學(xué)術(shù)意義。
首先必須計(jì)算諧振頻率(fRES)時(shí)的許多復(fù)數(shù)阻抗交互,以便求得目標(biāo)交越頻率的上限。當(dāng)電感解耦時(shí),此頻率降低,導(dǎo)致最大可能閉環(huán)帶寬顯著降低。
(5)
在此頻率時(shí),可能有 300°或更大的"高Q"相位遲滯。為了避免轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)相位裕量偏小的問(wèn)題,目標(biāo)交越頻率(fUNITY)應(yīng)為fRES的 1/10。此諧振的阻尼主要取決于輸出負(fù)載電阻和耦合電感的直流電阻。在較小程度上,阻尼還取決于能量傳輸電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)和功率MOSFET(QHl和QL1)的導(dǎo)通電阻。因此,當(dāng)輸出負(fù)載電阻改變時(shí),閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征在該頻率時(shí)發(fā)生明顯變化也不足為奇。
耦合系數(shù)通常不是一個(gè)能夠精確控制的參數(shù),因此應(yīng)將目標(biāo)交越頻率設(shè)置為比f(wàn)RES低 10 倍的值(假設(shè)fRES小于開關(guān)頻率fSW)。當(dāng)fUNITY設(shè)置適當(dāng)時(shí),可以使用標(biāo)準(zhǔn)"II型"補(bǔ)償——兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。
(6)
圖6 顯示同步反相SEPIC 降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中ADP1877反饋環(huán)路的等效電路。上框包含功率級(jí)和電流環(huán)路,下框包含電壓反饋環(huán)路和補(bǔ)償電路。
圖 6. 同步反相 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 ADP1877 具有內(nèi)部電流檢測(cè) I環(huán)路的功率級(jí)和補(bǔ)償方案
下框中的補(bǔ)償元件值可以通過(guò)下式計(jì)算:
轉(zhuǎn)換器的跨導(dǎo)GCS利用下式計(jì)算:
(10)
COUT是轉(zhuǎn)換器的輸出電容。ESR是該輸出電容的等效串聯(lián)電阻。RLOAD是最小輸出負(fù)載電阻。ACS是電流檢測(cè)增益,對(duì)于ADP1877,它可以在 3 V/V至 24 V/V范圍內(nèi)以離散步進(jìn)選擇。Gm是誤差放大器的跨導(dǎo),ADP1877 為 550 μs。VREF是與誤差放大器的正輸入端相連的基準(zhǔn)電壓,ADP1877 為 0.6 V。
GCS是與頻率無(wú)關(guān)的增益項(xiàng),隨增強(qiáng)后的次級(jí)開關(guān)電阻RDS(ON)而變化。最高交越頻率預(yù)期出現(xiàn)在此電阻和占空比D最低時(shí)。
為確保在最大輸出電流時(shí)不會(huì)達(dá)到補(bǔ)償箝位電壓,所選的電流檢測(cè)增益(ACS)最高值應(yīng)滿足以下條件:
(11)
其中?IL為峰峰值電感紋波電流。
(12)
如果斜率補(bǔ)償過(guò)多,此處的方程式精確度將會(huì)下降:直流增益將降低,輸出濾波器將引起主極點(diǎn)的頻率位置提高。
斜率補(bǔ)償
對(duì)于利用ADP1877 實(shí)現(xiàn)的同步反相SEPIC,必須考慮電流模式控制器2中的次諧波振蕩現(xiàn)象。
按照下式設(shè)置RRAMP,可以將采樣極點(diǎn)的品質(zhì)因素設(shè)為 1,從而防止發(fā)生次諧波振蕩3(假設(shè)fUNITY設(shè)置適當(dāng))。
(13)
值得注意的是,隨著增強(qiáng)后的次級(jí)開關(guān)電阻RDS(ON)降低,采樣極點(diǎn)的Q也會(huì)下降。如果這一因素與其它相關(guān)容差一起導(dǎo)致Q小于0.25,則應(yīng)進(jìn)行仿真,確保在考慮容差的情況下,轉(zhuǎn)換器不會(huì)有過(guò)多斜率補(bǔ)償,并且不是太偏向于電壓模式。RRAMP的值必須使得ADP1877 RAMP引腳的電流在 6 μA至 200 μA范圍內(nèi),其計(jì)算公式 14 如下:
(14)
功率器件應(yīng)力
從圖 2 和圖 3 的電流流向圖可以看出,功率 MOSFET 在接通后要承載電感電流總和。因此,流經(jīng)兩個(gè)開關(guān)的電流直流分量為:
(15)
如果電感的耦合比為 1:1,則流經(jīng)兩個(gè)開關(guān)的電流交流分量為:
(16)
知道這些值后,可以很快算出流經(jīng)各開關(guān)的電流均方根值。這些值與所選MOSFET的RDS(ON)MAX共同確保MOSFET具有熱穩(wěn)定性,同時(shí)功耗足夠低,以滿足效率要求。
圖 7. 同步反相 SEPIC 的理想電流波形(忽略死區(qū))
精確計(jì)算初級(jí)開關(guān)的開關(guān)損耗超出了本文的范圍,但應(yīng)注意,從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)時(shí),MOSFET上的電壓擺輻約為VIN + VOUT至 0V,流經(jīng)開關(guān)的電流擺輻為 0 A至IOUT[1/(1–D)]。由于擺幅如此之高,開關(guān)損耗可能是主要損耗,這是挑選MOSFET時(shí)應(yīng)注意的一點(diǎn);對(duì)于MOSFET,反向傳輸電容(CRSS)與RDS(ON)成反比。
初級(jí)開關(guān)和次級(jí)開關(guān)的漏極-源極擊穿電壓(BVDSS)均須大于輸入電壓與輸出電壓之和(見圖 5)。
峰峰值輸出電壓紋波(?VRIPPLE)可通過(guò)下式近似計(jì)算:
(17)
流經(jīng)輸出電容的電流均方根值(I rms COUT)為:
(18)
方程式 12 所表示的峰峰值電感電流(?IL)取決于輸入電壓,因此必須確保當(dāng)此參數(shù)改變時(shí),輸出電壓紋波不會(huì)超過(guò)規(guī)定值,并且流經(jīng)輸出電容的均方根電流不會(huì)超過(guò)其額定值。
對(duì)于利用ADP1877 實(shí)現(xiàn)的同步反向SEPIC,輸入電壓與輸出電壓之和不得超過(guò) 14.5 V,因?yàn)殡姾杀秒娙菖c開關(guān)節(jié)點(diǎn)相連,當(dāng)初級(jí)開關(guān)接通時(shí),其電壓達(dá)到VIN + VOUT。
實(shí)驗(yàn)室結(jié)果
圖 8 顯示 5 V 輸出、3 V 和 5.5 V 輸入時(shí)同步反向 SEPIC 的功效與負(fù)載電流的關(guān)系。對(duì)于需要在 3.3 V 和 5.0 V 輸入軌之間切換的應(yīng)用,或者當(dāng)實(shí)時(shí)調(diào)整輸入電壓以優(yōu)化系統(tǒng)效率時(shí),這是常見情況。采用 1 A 至 2 A 負(fù)載時(shí),無(wú)論輸入電壓高于或低于輸出電壓,轉(zhuǎn)換器的效率均超過(guò) 90%。
圖 8. 效率與負(fù)載電流的關(guān)系
與圖 8 相關(guān)的功率器件材料清單見表 1,其中僅采用常見的現(xiàn)成器件。一項(xiàng)具可比性的異步設(shè)計(jì)采用一個(gè)具有低正向壓降的業(yè)界領(lǐng)先肖特基二極管代替 QL1,在以上兩種輸入電壓下,其滿載時(shí)的效率低近 10%。此外,異步設(shè)計(jì)尺寸更大、成本更高,而且可能需要昂貴的散熱器。
表 1. 功率器件
結(jié)束語(yǔ)
許多市場(chǎng)對(duì)輸出電壓高于或低于輸入電壓(升壓/降壓)的高效率同相轉(zhuǎn)換器的需求都在不斷增長(zhǎng)。ADI 公司的雙通道同步開關(guān)控制器ADP1877允許用低損耗MOSFET代替常用于功率級(jí)的高損耗功率二極管,從而提高效率,降低成本,縮小電路尺寸,使系統(tǒng)達(dá)到苛刻的能耗要求。只要遵循幾項(xiàng)原則就能快速算出可靠補(bǔ)償所需的元件值,并且利用常見的現(xiàn)成器件便可實(shí)現(xiàn)高效率。
參考電路
Barrow, Jeff. "Reducing Ground Bounce in DC-to-DC Converters—Some Grounding Essentials." Analog Dialogue. 41-2, pp. 2-7. 2007.
1?uk, Slobodan and R.D. Middlebrook. "Coupled-Inductor and Other Extensions of a New Optimum Topology Switching DC-DC Converter." Advances in Switched-Mode Power Conversion. Volumes I & II. Irvine, CA: TESLAco. 1983.
2Erickson, Robert and Dragan Maksimovi?. Fundamentals of Power Electronics. Chapter 12, Section 1. Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers. 2001.
3Ridley, Raymond. "A New Small-Signal Model for Current-Mode Control." PhD Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University. November 1990.
附錄
ADP1877是一款Flex-ModeTM(ADI公司專有架構(gòu))雙通道開關(guān) 控制器,如圖A所示,其集成驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)N溝道同步功率 MOSFET。兩路PWM輸出相移 180°,可降低輸入均方根電流, 從而使所需的輸入電容最小。
圖 A. ADP1877 示意框圖。僅顯示通道 1;通道 2 與之完全相同,帶后綴 2。
ADP1877 內(nèi)置升壓二極管,因而整體元件數(shù)量和系統(tǒng)成本得以 減少。在小負(fù)載時(shí),可以將它設(shè)置為高效率脈沖跳躍工作模式, 也可以是 PWM 連續(xù)傳導(dǎo)工作模式。
ADP1877 內(nèi)置外部可調(diào)軟啟動(dòng)功能、輸出過(guò)壓保護(hù)、外部可調(diào) 電流限制、電源良好指示,并提供 200 kHz 至 1.5 MHz 的可編程 振蕩器頻率。工作溫度范圍為–40°C 至+85°C 時(shí),輸出電壓精 度為±0.85%;工作溫度范圍為–40°C 至+125°C 結(jié)溫范圍時(shí), 輸出電壓精度為±1.5%。其工作電源電壓為 2.75 V 至 14.5 V, 采用 32 引腳、5 mm × 5 mm LFCSP 封裝。
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