SEPIC(single endedprimary inductor converter)是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。
这种电路最大的好处是输入输出同极性。另外一个好处是输入输出的隔离,通过主回路上的电容Cs实现。同时具备完全关断功能,当开关管关闭时,输出电压为0V。
2电路结构和工作状态分析
图1 SEPIC电路拓扑结构
图2 Q1断开时工作状态(状态1)
图3 Q1导通时工作状态(状态2)
图1为SEPIC电路的拓扑结构。图2为MOS管Q1断开时电路的工作的工作状态,电容Cs处于充电状态,电感L1和L2处于放电状态。图3为MOS管Q2导通时电路的工作状态,电容Cs处于放电状态,电源给L1充电,电容Cs给电感L2充电。图2和图3电路中的电流流向如图中箭头所示。
3CCM和DCMCCM:Continuous Conduction Mode,(电感电流)连续导通模式
DCM:Discontinuous Conduction Mode,(电感电流)断续导通模式
开关电源工作于哪种工作模式,在开关电源频率不变的情况下,与开关电源的电感大小以及占空比有关系。
如果占空比比较小,电源给电感充电的时间就比较短,电感里面储存的能量比较少,很快就放电结束,电路工作在DCM模式下。
如果电路中电感的值比较小,电感中能够存储的能量比较少,放电过程也会非常快,电路工作在DCM模式下。
以L1为例,电路工作在状态2时(即图3所示状态)电感充电,此时电感产生的感生电动势为左正右负,电路工作在状态1时(即图2所示状态),电感放电,此时电感两端的电压为左负右正,给电容充电。电感放电结束时,电容Cs左端的电压一般比电源电压高,此时电感L1两端的电压为左负右正,电感出现了振荡的现象。如图4所示。
图4 DCM工作模式下电感两端的波形
图4中1,2,3表示电路工作的三个状态,1表示电感处于充电状态,2表示电感处于放电状态,3表示电感放电完了,电路处于振荡状态。
如果电路中电感的值、MOS管开关频率、占空比选择比较合适的时候,电路工作在CCM模式,图5表示CCM模式下电感两端电压的波形。
图5 CCM模式下电感两端的波形
图5中1,2表示电路工作的两个状态,1表示电感处于充电状态,2表示电感处于放电状态。
4电容电感选值1) 电容Cs
SEPIC电容Cs的选值取决于RMS电流,由下式给出:
必须考虑与输出功率有关的较大的RMS电流来额定SEPIC电容。Cs上的纹波电压峰峰值为:
满足RMS电流条件的电容Cs上通常会产生较小的纹波电压,因此,Cs两端的电压一般会接近输入电压。
2) 电感的选值
确定电感值的一个好的规则就是,在最小输入电压时使得纹波电流峰峰值大约等于最大输入电流的40%。流入相同值电感L1和L2的纹波电流为:
电感值计算如下:
为了电感不饱和,电感的峰值电流应比这个计算结果稍微大一些。电感在SEPIC电路中作用是最大的,所以在选择电感时,除了选择电感值恰当这个条件之外,还需要考虑电感的直流电阻,要选择直流电阻小的,降低电路中的损耗。根据上面计算的电感的公司可以看到电感和频率是非常关键的因素,一般的电路中这两者需要综合考虑。电感的值不能太大,最好不要超过470uH。
3) 输出电容的选择
输出电流由输出电容提供,可在输出电容上见到较大的纹波电流。因而选择的输出电容必须能够处理最大的RMS电流。
输出电容必须满足RMS电流、ESR和电容的要求。