基于反相SEPIC的高效率降压/升压转换器的设计

许多市场对高效率同相DC-DC转换器的需求都在不断增长，这些转换器能以降压或升压模式工作，即可以将输入电压降低或提高至所需的稳定电压，并且具有最低的成本和最少的元件数量。反相SEPIC(单端初级电感转换器)也称为Zeta转换器，具有许多支持此功能的特性(图1)。对其工作原理及利用双通道同步开关控制器ADP1877的实施方案进行分析，可以了解其在本应用中的有用特性。

图1. 反相SEPIC拓扑结构

初级开关QH1和次级开关QL1反相工作。在导通时间内，QH1接通，QL1断开。电流沿两条路径流动，如图2所示。第一条路径是从输入端经过初级开关、能量传输电容(CBLK2)、输出电感(L1B)和负载，最终通过地流回输入端。第二条路径是从输入端经过初级开关、地基准电感(L1A)和地流回输入端。

图2. 电流流向图;QH1闭合，QL1断开

在关断期间，开关位置刚好相反。QL1接通，QH1断开。输入电容(CIN)断开，但电流继续经过电感沿两条路径流动，如图3所示。第一条路径是从输出电感经过负载、地和次级开关流回输出电感。第二条路径是从地基准电感经过能量传输电容、次级开关流回地基准电感。

图3. 能量传输图;QL1闭合，QH1断开

应用电感伏秒平衡原理和电容电荷平衡原理，可以求得方程式1所规定的均衡直流转换比，其中D为转换器的占空比(一个周期的导通时间部分)。

(1)

上式表明：如果占空比大于0.5，输出端将获得较高的调节电压(升压);如果占空比小于0.5，调节电压会较低(降压)。此外还可分析得到其它相关结果：在无损系统中，能量传输电容(CBLK2)上的稳态电压等于VOUT;流经输出电感(L1B)的直流电流值等于IOUT;流经地基准电感(L1A)的直流电流值等于IOUT × VOUT/VIN。该能量传输电容还能提供VIN至VOUT的隔直。当存在输出短路风险时，此特性很有用。

分析还显示，反相SEPIC中的输出电流是连续的，对于给定输出电容阻抗，会产生较低的峰峰值输出电压纹波。这就允许使用较小、较便宜的输出电容;相比之下，在非连续输出电流拓扑结构中，为了达到同样的纹波要求，需要使用较大且昂贵的电容。

通常，次级开关(QL1)是一个单向功率二极管，它会限制这种拓扑结构的峰值效率。然而，利用ADI公司双通道同步开关控制器ADP1877(见附录)的一个通道，并采用双向MOSFET作为次级开关，可以设计一个“完全同步配置”的反相SEPIC。这样，峰值效率将大大提高，同时可以降低输出电流大于1 A的转换器尺寸和成本。

图4显示完全同步反相SEPIC配置的功率级，它利用ADP1877实现，只需要三个小型、廉价的额外器件(CBLK1、DDRV和RDRV)，其功耗可以忽略不计。

图4. 同步反相SEPIC的功率级，利用ADP1877的通道1实现

反相SEPIC的理想稳态波形如图5所示。通道1开关节点SW1(见附录图A)在VIN + VOUT (导通时间内)和0 V(关断时间内)之间切换。将电荷泵电容CBST, 连接到SW1，以便在导通时间内将约为VIN + VOUT + 5 V的电压施加于高端内部驱动器的自举上电轨(BST1引脚)和高端驱动器的输出(DH1引脚)，从而增强初级浮空N沟道MOSFET开关QH1。箝位二极管DDRV, 确保稳态输出期间CBLK1上的电压约为VOUT + VFWD(DDRV)，该电压参考ADP1877的DH1引脚到QH1栅极的电压。在关断时间内，当X节点电压约为–VOUT时，CBLK1上的电压阻止初级开关产生高于其阈值的栅极-源极电压。

图5. 同步反相SEPIC的理想波形(忽略死区)

ADP1877具有脉冲跳跃模式，使能时，可以降低开关速率，只向输出端提供足以保持输出电压稳定的能量，从而提高小负载时的效率，大大降低栅极电荷和开关损耗。在同步反相SEPIC和同步降压拓扑结构中均可以使能此模式。图4所示DC-DC转换电路只需要双通道ADP1877的一个通道，因此另一通道可以用于任一种拓扑结构。

电感耦合和能量传输电容

图4中，功率电感L1A和L1B显示为彼此耦合。在这种拓扑结构中，耦合电感的目的是减少输出电压和电感电流的纹波，并且提高最大可能闭环带宽，下一部分将对此加以说明。

虽然这些电感互相耦合，但并不希望耦合太紧，以至于将一个绕组的大量能量通过铁芯传输至另一个绕组。为了避免这一点，必须求得耦合电感的泄漏电感(LLKG)，并选择适当的能量传输电容(CBLK2)，使得其复数阻抗的幅值为泄漏电感与单个绕组电阻(DCR)的复串联阻抗的1/10，如方程式2、3、4所示。按照这一关系设计电路，可使耦合铁芯所传输的能量降至最低。泄漏电感可以根据耦合电感数据手册中提供的耦合系数计算。

(2)

(3)

(4)

匝数比最好为1:1，因为对于给定水平的输出电压纹波，此时各绕组只需要分立电感所需电感的一半1。可以使用1:1以外的