SEPIC方程和分量额定值

锂电池、功率因数转换器和改进的低 esr 电容器为经典的 sepic 拓扑结构增添了新的光彩。sepic(单端初级电感转换器)的特点是其输入电压范围可以与输出电压重叠。然而,由于sepic文献非常少,当被要求设计这些电路之一时,不是能量转换器专家的设计工程师可能会感到无助。
本文提供了对基本sepic方程的理解,并提出了清晰简单的公式来评估主要组件和预测性能。
锂电池非常成功,这主要归功于它们令人印象深刻的能量密度。单个锂电池在充满电时提供4.2v的开路电压,并取代(几乎)三个镍镉或镍氢电池。该电压在一定程度上取决于剩余容量,并且电池仍保留一些低至2.7v的能量。这种输入电压范围高于和低于许多dc/dc转换器的输出,从而消除了使用专门升压或降压型转换器的可能性。
sepic还应用于功率因数转换器(pfc)的电源中。大多数此类电路使用简单的升压转换器作为输入级,这意味着级输出必须超过输入波形的峰值。240v 交流输入有效值例如,±20%施加至少407v的输出,迫使以下转换器在较高的输入电压下工作。通过接受中低输入电压,sepic拓扑结构提供了更紧凑、更高效的设计。即使峰值输入电压较高,它也能提供所需的输出电平。
基本方程
升压(通常称为升压)拓扑(图1)是sepic转换器的基础。升压-转换器原理很好理解:首先,开关sw在t期间闭合上,增加存储在电感l1中的磁能。二、开关在t期间打开关闭,提供 d1 和 c外作为存储的磁能流动的唯一路径。c外滤波l1至d1产生的电流脉冲。当 v外相对较低,可以通过对d400使用具有低正向电压(约1mv)的肖特基器件来提高效率。v外必须高于 v在.在相反的情况下(v在> v外) d1 正向偏置,没有任何东西阻止电流从 v 流出在到 v外.
图1.这种升压转换器拓扑是sepic电源电路的基础。
图2所示的sepic方案通过在l1和d1之间插入一个电容(cp)消除了这一限制。该电容器显然会阻挡输入和输出之间的任何直流分量。然而,d1的阳极必须连接到已知的电位。这是通过第二个电感(l1)将d2接地来实现的。l2 可以与 l1 分开,也可以缠绕在同一磁芯上,具体取决于应用的需要。由于后一种配置只是一个变压器,因此在这种情况下,人们可能会反对经典的反激式拓扑更合适。然而,变压器漏感在sepic方案中没有问题,在反激式方案中通常需要“缓冲”网络。主要寄生电阻rl1, rl2, r西 南部和 r丙油与 l 相关1, l2, sw,和 cp 分别。
图2.除了降压/升压能力外,sepic电路的一个优点是电容器(cp)可防止来自v的不需要的电流流过在到 v外.
虽然sepic转换器的元素很少,但将其抽象为方程并不是那么简单。我们假设电流和电压纹波的值相对于直流分量很小。首先,我们表示在平衡时,两个电感l1和l2两端没有直流电压(忽略其寄生电阻上的压降)。因此,cp看到直流电位为v在一侧通过 l1,另一侧通过 l2 接地。cp两端的直流电压为:
(vcp)mean = vin
“t”是一个开关周期的周期。调用α t 中关闭的部分,α周期的剩余部分。由于l1两端的平均电压在稳态条件下等于零,因此l1在α t(ton)期间看到的电压正好由(1-α)t(toff)期间看到的电压补偿:
α tvin = (1−α) t (vout + vd + vcp − vin) = (1−α) t (vout + vd)。
vd 是直流电 (il1 + il2) 时 d1 的正向压降,vcp 等于 vin:
ai称为放大因子,其中“i”表示寄生电阻为零的理想情况。忽略 vd关于 v外(作为第一个近似值),我们看到 v 的比率外到 v在可以大于或小于 1,具体取决于 α 的值(在 α = 0.5 时获得相等)。这种关系说明了sepic转换器相对于经典升压或降压拓扑的特殊性。更准确的表达式 a一个考虑电路中的寄生电阻:
aa = [vout + vd + iout (ai rcp + rl2)] / [vin − ai (rl1 + rsw) iout − rswiout]
此公式可让您计算 v 的最小、典型和最大放大因子在(一阿明一个非典型值和 a阿马克斯).公式是递归的(“a”出现在结果和表达式中),但一些迭代计算会导致解渐近。该表达式忽略了d1中开关sw和反向电流引起的转换损耗。这些损耗通常可以忽略不计,特别是如果sw是快速mosfet,其漏极电压偏移(v在+ v外+ vd) 保持在 30v 以下(当今低损耗 mosfet 的表观限值)。
在某些情况下,还应考虑d1反向电流引起的损耗,以及高电平感应梯度引起的磁芯损耗。您可以从公式 2 推断出 α 的相应值:
α xxx = aaxxx/ (1+aaxxx),其中 xxx 为最小值、典型值或最大值。
通过cp的直流电流为零,因此平均输出电流只能由l2提供:
iout = il2
l2的功耗要求得到放宽,因为进入l2的平均电流始终等于iout,并且不依赖于vin的变化。要计算进入l1(il1)的电流,请表示没有直流电流可以流过cp的事实。因此,在α t期间流动的库仑电荷与(1−α)t期间的相反库仑电荷完全平衡。当开关闭合时(间隔α t),节点a电位固定为0v。根据公式1,节点b电位为−vin,反向偏置d1。通过cp的电流为il2。当开关在 (1−α)t 期间打开时,il2 流经 d1,而 il1 流经 cp:α t × il2 = (1−α)t × il1。知道 il2 = iout,
il1 = aaxxx × iout
由于输入功率等于输出功率除以效率,因此il1在很大程度上取决于vin。对于给定的输出功率,如果vin降低,il1增加。知道il2(因此iout)在α t期间流入cp,我们选择cp,使其纹波δvcp是vcp的很小一部分(γ = 1%至5%)。最坏的情况发生在vin最小时。
cp > iout α 分钟 t / (γ vinmin)
高频控制器操作与多层陶瓷电容器(mlc)的最新进展相结合,允许使用小型非极化电容器进行cp。 确保cp由于其自身的内阻(rcp)而能够维持功耗pcp:
pcp = aaminrcp iout2
rsw 通常由 mosfet 开关漏源电阻串联而成,并带有用于限制最大电流的分流器,会产生以下损耗:
psw = aamin (1 + aamin) rsw iout2
l1 和 l2 内阻引起的损耗 prl1 和 prl2 很容易计算:
prl1 = aamin2 rl1 iout2
prl2 = rl2 iout2
在计算 d1 造成的损失时,请注意评估 il1 + il2 之和的 vd:
pd1 = vd × iout
选择l1,使其总电流纹波(δil1)是il1的一小部分(β = 20%至50%)。β的最坏情况发生在 vin 最大值时,因为 dil1 在 il1 最小时最大。假设 β = 0.5:
l1min = 2 t (1−α max) vinmax / iout
选择最接近l1计算的标准值,并确保其饱和电流满足以下条件:
il1卫星 > > il1 + 0.5 δil1 = 阿明 iout + 0.5 t α 分钟 vinmin / l1
l2 的计算与 l1 的计算类似:
l2min = 2 t α 最大 vinmax/iout
il2sat > > il2 + 0.5 δil2 = iout + 0.5 t α 最大值 vinmax / l2
如果 l1 和 l2 缠绕在同一磁芯上,则必须选择两个值中较大的一个。单个磁芯迫使两个绕组具有相同的匝数,因此具有相同的电感值。否则,两个绕组两端的电压将不同,cp将起到差值的短路作用。如果绕组电压相同,则它们会产生相等的累积电流梯度。因此,每个绕组的固有电感应仅等于l1和l2计算值的一半。
由于两个绕组之间不存在很大的电位差,因此可以在同一操作中将它们缠绕在一起来节省成本。如果绕组的横截面相等,则电阻损耗将不同,因为它们的电流(il1和il2)不同。然而,当损耗在两个绕组之间平均分布时,总损耗最低,因此根据其承载的电流设置每个绕组的横截面很有用。当绕组由分线组成以抵消趋肤效应时,这尤其容易做到。最后,选择磁芯尺寸以适应在预期最高磁芯温度下远大于(il1 + il2 + δil1)的饱和电流。
输出电容器的用途(cout) 是平均 d1 在 toff 期间提供的电流脉冲。目前的转变是残酷的,所以 c外应该是高性能组件,类似于反激式拓扑中使用的组件。幸运的是,今天的陶瓷电容器具有低esr。c 的最小值外由纹波量(δvout) 可以容忍:
cout > = aamin iout α min t / δvout
实际输出电容的值可能需要大得多,特别是当负载电流由高能量脉冲组成时。由于sepic拓扑的滤波特性,输入电容可能非常小。通常,c在可以比 c 小十倍外:
cin = cout / 10
总体效率η可通过 v 预测在和啊。然而,结果可能是乐观的,因为它没有考虑开关转换损耗或内核损耗:
η = vout / aa vin)
最后,开关sw和二极管d1的击穿电压应分别大于vds和 vr:
vds > 1.15 (vout + vd + vin)
vr > 1.15 (vout + vin)
例如,考虑以下低功耗应用中的元件额定值:vinmin = 2.7v,vintyp = 3.5v,vinmax = 5v,vout = 3.8v,iout = 0.38a,t = 2μs,vd = 0.4v。一轮初步估计得出以下近似值:l1和l2 = 47μh,rl1 = rl2 = 120mω,rcp = 50mω,rsw = 170mω。图3显示了在不同vin值下产生的il1和il2波形。
图3.在图2中,通过l1和l2的电流波形随v而变化在如图所示。
使用公式2,首先计算对应于最小值、典型值和最大值v的理想放大因子ai。在分别为 1.555、1.2 和 0.84。使用公式3中的这些值,您可以分别获得更准确的aaxxx值1.735、1.292和0.88。从公式4推导出相应的占空比为0.634、0.563和0.468。
根据公式2,l2电流(il0)等于38.5a,il1根据v变化在.使用公式6,我们得到1.0a、659.0a和491.0a的il334值作为v在从最小值到最大值不等。
通过在公式3中固定γ = 5%,我们获得了5.7μf的最小cp值。cp的额定电压由公式1推导出来。如果输入电压不超过5v,则额定电压为6.8v的6.3μf陶瓷电容器可以完成这项工作。现代mlc电容很容易满足预期的50mω rcp,并且很容易承受从公式12推导出的5.8mw功率损耗。
以下参数是在最坏情况下计算的,即最小v在:
根据公式170,116mω开关的功耗必须为5.9mw,这使得外部晶体管采用sot23封装,甚至更小的sc70。
公式10和11给出l52和l2的损耗分别为17.3mw和1.2mw。我们在这里验证l1的铜横截面应大于l2的铜横截面。
使用公式12计算d1在152mw时的功率损耗,可以看到d1是主要的损耗源。因此,选择高效的整流器(如果不是同步整流器)非常重要。
对于l1,公式13建议最小值为28μh,接近估计值47μh。对于l1值为47μh的正常工作,公式14预测峰值电流为0.69a。额定电流为1a的器件提供了合理的裕量。确保d1可以在等于il1 + iout = 1.04a的高温下维持电流脉冲,平均电流iout = 0.38a。
类似地,公式15的最小l2值为24.6μh。同样,47μh是一个合理的值。根据公式16,l2应维持0.43a的电流峰值。
对于38mv的δvout (vout / 100),公式17表示输出电容应至少为22μf,公式18表示2μf足以满足cin的需求。
尽管寄生元件值很高,但公式19预测,在输入电压最小的最坏情况下,效率高达81%。当考虑到转换损耗时,实际值略低。


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