賽皮克(Sepic)是啥? 基因突變的Boost實現升降壓

賽皮克,英文名叫SEPIC,又叫單端初級電感轉換器,是一種能夠實現升降壓的非隔離DC/DC拓樸,在標準形式下,它產生的輸出電壓可以大於、小於或等於其輸入電壓,並且極性相同。因此,SEPIC在電池供電的應用中非常有用,因為在這類應用中,電池電壓可能一開始比期望的穩壓輸出較高些,最終卻又變得較低。

如圖1所示,車載鉛酸蓄電池電壓13.8V,9-16V均為其正常工作電壓範圍,在汽車啟動的時候,電池電壓甚至會瞬間跌落至4.5V,此時如果掛在車載電池上的用電設備仍需要保持正常工作,則不得不採用升降壓DC/DC的方案。

1:升降壓的應用場合

單開關Buck-Boost是升降壓拓樸,但是Buck-Boost輸出反極性,產生的是負壓輸出,這種負壓輸出應用到LED驅動是很好的方案,卻不能應用到給普通設備供電;四開關Buck-Boost也是升降壓拓樸,也能做到正極性輸出,但就像利物浦主教練克洛普說過“好的球員除了貴,没有任何缺點”,四開關Buck-Boost集成四顆MOS管,對於中小功率場合,成本就不太划算了。

於是乎SEPIC就有了存在的價值,下面為各位簡單講解SEPIC電路的一些故事:

首先是“賽皮克”的工作原理

SEPIC电路的形式如圖2所示,拓樸非常好記,Boost電路中間插入一個LC環節就構成了SEPIC電路。SEPIC電路通常取電感L1和L2相等。

我們都知道,電感在一個開關周期内不儲存能量,所以一個開關周期内電感上的平均電壓等於零,所以容易推出SEPIC電路中間的耦合電容Cac的電壓Vac=Vin

 

2Sepic電路的拓樸形式

如圖3所示,當MOS管導通的時段Ton内,輸入電壓給L1充電,耦合電容Cac放電給L2充電,輸出電容Co續流給負載提供能量。由於Vac=Vin,所以電感L1和L2的電流變化變化率相同。

3MOSSepic工作原理

如圖4所示,當MOS管關斷的時段Toff内,電源通過L1、Cac、D給負載放電,同時L2也通過D给負載放電。不考慮D的管壓降,L1兩端的電壓和L2兩端電壓都等於Vo,所以電感L1和L2的放電電流變化率也相等。

4MOS管關斷時Sepic工作原理

 

關於SEPIC的工作過程,這麼理解就比較清晰了:MOS導通的時候,電源給L1充電,耦合電容給L2充電,Co給負載放電,MOS關斷的時候,L1充好的能量釋放给耦合電容,L2從耦合電容得到的能量再釋放給Co,能量就這樣一級一級的向後傳遞。

之所以能夠實現升降壓的功能,我們根據電感的伏秒平衡法則就可以知道啦。

電感L1在Ton時段内電壓為Vin,在Toff時段内電壓為Vout,所以Vin*Ton=Vo*Toff

換算一下,我們就可以得到SEPIC電路的變化比:

Vo/Vin = D/(1-D)

 (D>0.5的時候是升壓,D<0.5的時候是降壓)




介紹完賽皮克的基本工作原理 現在來看一下他的設計注意事項

1.電感選擇時保證低壓側流過最大負載電流時,電感電流的峰值不要超過飽和電流;

上面提到,電感L1和L2在MOS管開通通和關斷的過程中,其電流變化率是相同的,但是電感電流IL1和IL2的平均值卻不相同。我們知道耦合電容一個周期内同樣也不儲存能量,所以流過耦合電容的電流的平均值也等於零,於是可以得到電感L1的電流平均值等於輸入電流的平均值,電感L2的電流平均值等於輸出電流的平均值。由於SEPIC電路中的兩個電感通常選擇参數完全一致的電感,所以我們在電感選擇設計時,需要保證低電壓側流過最大電流時,其電感電流不超過電感spec的飽和電流參數。

2.保證MOS流過的電流不超過IC内部的Current Limit

根據圖3,我們知道MOS管道通的時候,流過MOS的電流等於L1和L2的電流之和,當MOS關斷的時候,流過Diode的電流也等於L1+L2的電流之和。所以MOS的流通能力需要大於輸入+輸出電流的平均值+半個峰峰值並留有一定的裕量。否則正常工作的時候,會導致流過MOS電流觸碰到Current Limit點,從而觸發過流保護。

3.保證MOS的耐壓至少高於Vin+Vout

根據圖4,我們知道MOS管導通的时候,SW點的電壓等於0,MOS管關斷的時候,SW點的電壓等於Vin+Vout,所以MOS管的耐壓需要至少高於Vin+Vout,這一點設計時需要多加注意。

講到這裡,赛皮克基本就講解完了,這個時候,也順便跟大家提一下茲爾塔ZETA的問題。

因為兹爾塔和賽皮克是兄弟,那賽皮克是基於Boost這類低邊(LSD)MOS衍生而来的升降壓電路,兹爾塔則是基於Buck這類高邊(HSD)MOS衍生而来的升降壓電路,電路形式如下圖5所示。和賽皮克相比,幾乎所有的分析都是互易的,由于高邊MOS的成本高於低邊MOS,基於成本考量是比較不推薦的唷!

5Zeta (茲爾塔)電路的拓樸形式

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