利用高效率SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙供電軌

ADI公司 Kevin Tompsett

雖然單電源軌到軌運(yùn)算放大器已得到廣泛使用，但常常必須從單一（正）輸入供電軌產(chǎn)生兩個(gè)供電軌（例如±15 V），以便為模擬信號(hào)鏈的其他部分供電。這些部分的電流一般較低（例如 10 mA～500 mA），正負(fù)電源具有相對匹配良好的負(fù)載。

一種解決方案是使用兩個(gè)不同的DC-DC轉(zhuǎn)換器，分別用于提供正供電軌和負(fù)供電軌，但這樣做不僅成本高昂，而且也沒有必要。另一種解決方案是使用一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器。然而，兩個(gè)電源在差分負(fù)載下往往不能非常好地保持一致，需要體積較大且昂貴的變壓器，而且效率低下。

更好的解決方案是使用圖1所示的SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器[1]，該器件由一個(gè)輸出不受調(diào)節(jié)的C'uk轉(zhuǎn)換器連接到一個(gè)輸出受到調(diào)節(jié)的SEPIC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。這一組合產(chǎn)生的兩個(gè)高效電源幾乎在所有條件下都能非常好地保持一致，除非負(fù)載100%不匹配。

從最基本的層面來看，SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)SEPIC轉(zhuǎn)換器連接至一個(gè)C'uk轉(zhuǎn)換器，兩者在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處相互連接。圖1中采用并聯(lián)L1和L2的方式，而不是單個(gè)電感，目的是使兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的耦合更加明顯。轉(zhuǎn)換器間之所以可以實(shí)現(xiàn)這種耦合是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換率大小相等符號(hào)相反且SN1處的電壓波形對兩個(gè)轉(zhuǎn)換器而言是相同的。

有趣的是，除了Cout，每個(gè)轉(zhuǎn)換器中元件的電流都是相同的（因?yàn)镃'uk產(chǎn)生負(fù)電壓，因此需要考慮負(fù)號(hào)的情況），如圖2和圖3所示。在每個(gè)輸出端負(fù)載相同的情況下，IL1=IL2、IL3=IL4、IC1=IC2且 IQ3=IQ2。

因此，每個(gè)元件應(yīng)采用相同的值，這樣就會(huì)在兩個(gè)輸出電壓之間產(chǎn)生較好的匹配，并簡化小信號(hào)分析。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用3個(gè)單繞組電感、2個(gè)耦合電感、1個(gè)定制1:1:1變壓器，或者一個(gè)Coilcraft的六繞組Hexapath器件（或等效器件）構(gòu)建。電感耦合可將電感中的電流紋波減少到原值的1/3[1]，大大降低小信號(hào)模型的復(fù)雜性，并通過消除SEPIC和C'uk共振實(shí)現(xiàn)較高帶寬。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢之一是，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流模式升壓控制器（如 ADP1621[2]或 ADP1613[3]）可實(shí)現(xiàn)正負(fù)兩種輸出，反饋來自SEPIC（正）輸出。如果根據(jù)以下原則選擇器件，這種復(fù)雜轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模式看起來就與單輸出電流模式SEPIC基本完全相同：(1)每個(gè)輸出端采用相同的電容；(2)C2的電容值應(yīng)略大于C1。這些電容通常為陶瓷電容，因此必須考慮直流偏置上的差異；(3)應(yīng)采用耦合電容，使 L1、L2分別與L4、L3耦合。SEPIC和C'uk輸出端都應(yīng)選用同樣的電感。

本質(zhì)上，SEPIC-C'uk的C'uk（負(fù)）輸出是未經(jīng)調(diào)節(jié)的，因此與SEPIC（正）輸出相比，輸出電流的變化會(huì)帶來一定的負(fù)載變化，特別是負(fù)載不匹配時(shí)。注意，其跟蹤特性比相似配置的反激式轉(zhuǎn)換器要好得多，在瞬變或負(fù)載不匹配的情況下尤其如此。這是因?yàn)橥ǖ乐g的耦合是直接連接，而非通過本身具有泄漏電感的變壓器進(jìn)行連接。

當(dāng)兩個(gè)電源的負(fù)載相同時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，權(quán)重較大的誤差項(xiàng)是由電感的直流電阻與二極管的正向電壓不匹配造成的，應(yīng)設(shè)法讓這些誤差相對輸出電壓來說變得非常小。

當(dāng)負(fù)載顯著不匹配時(shí)，誤差增大，如圖4所示。因此，在某些應(yīng)用中，可能有必要在一個(gè)或兩個(gè)通道上放置一個(gè)小的偽負(fù)載，使兩個(gè)電源均在其調(diào)節(jié)窗口中。一般而言，只要有足夠的裕量，運(yùn)算放大器等模擬器件對其電源的直流變化不是很敏感。

圖5顯示將一個(gè)30 mA瞬變施加于SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器的C'uk(-Vout)輸出的響應(yīng)，SEPIC輸出保持恒定的100 mA負(fù)載。注意，兩個(gè)輸出均對該瞬變負(fù)載做出了響應(yīng)。

這是最差情況的瞬變，因?yàn)镃'uk(負(fù))輸出未經(jīng)調(diào)節(jié)。值得注意的是，-Vout軌顯示的大部分偏差實(shí)際上是應(yīng)用于兩個(gè)軌的負(fù)載(Iout+、Iout-)之間不匹配所引起的直流調(diào)節(jié)偏移。

圖6所示的測試板是基于Excel的ADIsimPowerTM設(shè)計(jì)工具[4]而構(gòu)建。借助這款綜合設(shè)計(jì)工具，用戶可以快速而準(zhǔn)確地針對SEPIC-C'uk和其他許多開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建完整的原理圖和BOM。

實(shí)測效率如圖7所示。參考文獻(xiàn)[5]中給出了由單一輸入電壓實(shí)現(xiàn)分離供電軌的改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。

[1]A general unified approach to modelling switching-converter power stages.http://www.ee.bgu.ac.il/～kushnero/temp/guamicuk.pdf.

[2]AD1621 data sheet[Z].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP1621.pdf.

[3]ADP1613 data sheet[Z].http://www.analog.com/en/powermanagement/switching-regulators-integrated-fet-switches/adp1613/products/product.html.

[4]ADIsimPower.http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dt-PowerMain.aspx.

[5]AN-1106.http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1106.pdf.