比較耦合和非耦合電感組成的SEPIC穩(wěn)壓器的區(qū)別

單端初級電感DC-DC轉(zhuǎn)換器（SEPIC）是一種靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，可用作降壓（“降壓”）和升壓（“升壓”）穩(wěn)壓器。該設計受到工程師的歡迎，因為它具有最小的有源元件，簡單的控制器和鉗位開關(guān)波形，可提供低噪聲工作。

SEPIC的特點是使用了兩個電感器。電感器可以保持分離（“非耦合”）或纏繞在共同的核心（“耦合”）上。電路對于任何一種類型的操作方式都沒有什么區(qū)別，設計人員通常不確定哪種方法最佳，或者兩者之間是否存在任何真正的差異。

本文將詳細介紹兩種類型，突出顯示差異，并解釋每個的優(yōu)點和缺點。

添加一個電感器

與線性穩(wěn)壓器不同，當電池電壓低于要求時，開關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器能夠從降壓轉(zhuǎn)換為升壓模式在調(diào)節(jié)器輸出。升壓配置非常有用，因為它可以訪問更多電池的能量。

SEPIC穩(wěn)壓器基于標準降壓/升壓設計，但帶有額外的電感和電容。 SEPIC拓撲的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，與傳統(tǒng)的降壓/升壓穩(wěn)壓器不同，它與輸入相比不會反轉(zhuǎn)輸出電壓。

在SEPIC穩(wěn)壓器設計中，初級電感的一端連接到電池正終端（因此是SEPIC的名稱）。電容器阻止輸入和輸出之間的任何直流分量。添加此電容意味著必須添加第二個電感，以便二極管的陽極可以連接到已知電位（通常為地）。

第二個電感可以耦合到初級或分離（非耦合）。圖1顯示了耦合電感SEPIC。在該電路中，當開關(guān)元件（場效應晶體管（FET）［Q1］）導通時，輸入電壓施加在第一電感器（初級繞組）上。由于耦合磁芯的繞組比為1：1，因此次級繞組上的電壓也等于輸入電壓。

圖1：耦合電感SEPIC電壓調(diào)節(jié)器。 （德州儀器公司提供）

當耦合繞組布置由兩個非耦合電感代替時，圖1中的電路以非常類似的方式工作。然而，雖然耦合版本中的電感必須匹配（即必須保持伏 - 微秒平衡），但非耦合版本的情況并非如此。但是，工程師通常認為未耦合的電感器設計必須匹配。然而，雖然這是可以接受的并且可以保持簡單，但輸出電感器也可以比輸入側(cè)具有更低的值（因此更小且成本更低）。輸出側(cè)電感的值可以通過將初級電感的值按比例等于VOUT/VIN的典型值來計算。

兩個SEPIC的故事

事實證明電壓和電流波形非耦合電感器SEPIC與耦合電感器版本非常相似。實際上，波形非常相似，很難區(qū)分它們。因此，如果SEPIC類型之間的電路操作幾乎沒有差別，那么使用哪一個是否重要？

考慮的選擇很重要，因為每種技術(shù)都有其優(yōu)點。例如，通常選擇耦合電感SEPIC穩(wěn)壓器，因為與使用兩個單電感相比，它減少了元件數(shù)量，提高了集成度，并降低了總電感要求。一個關(guān)鍵優(yōu)勢是穩(wěn)壓器的紋波電流在耦合電感之間分配，允許每個電感的電感減半。然后，該設計受益于更小的輸入電容和更簡單的EMI濾波。

耦合電感SEPIC還可以顯示漏電感，從而降低交流電流損耗。最后一個優(yōu)點是耦合電感器設計比非耦合電感器版本顯示出更好的控制環(huán)路特性然而，耦合設計的缺點是，現(xiàn)成的高功率耦合電感的選擇有限?？朔虡I(yè)選擇缺乏的一個選擇是工程師設計他或她自己的設備;但是他們必須指定所有電氣參數(shù)，以及處理與采購定制元件相關(guān)的較長提前期。

選擇非耦合電感器可以開辟更廣泛的現(xiàn)成元件選擇。由于電感器不必相同，因此可以為每個電感器選擇不同的元件尺寸，從而提供更大的選擇。然而，即使第二個電感器可以小于第一個電感器，與耦合電感器元件相比，兩個非耦合電感器通常還需要額外10％的電路板面積。1

一家公司確實提供了良好的耦合范圍用于SEPIC穩(wěn)壓器應用的電感器是WürthElectronics。例如，該公司的WE-DD系列有五種不同的尺寸，可以在高達8.6 A的直流電流和高達18 A的飽和電流下工作（圖2）。 WürthElectronics還生產(chǎn)了一個關(guān)于其耦合電感產(chǎn)品的有用產(chǎn)品培訓模塊。

圖2：WürthElectronics為SEPIC應用提供一系列耦合電感。

有許多非耦合供應商用于SEPIC穩(wěn)壓器應用的電感器，包括WürthElectronics，Bourns，Murata Power Solutions和TE Connectivity。

耦合電感器設計的效率小幅提升高達0.5％。圖3顯示了VIN = 12和24 V以及VOUT = 16 V兩種可比設計的效率。這種效率增益通常低于耦合設計中使用的較小電感的繞組損耗。

圖3：耦合和非耦合電感調(diào)節(jié)器的效率曲線。 （由Texas Instruments提供）

圖4顯示了用于非耦合電感SEPIC配置的Texas Instruments LM2735開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。 LM2735是一款2.1 A開關(guān)穩(wěn)壓器，可在內(nèi)部設置為工作在520 kHz或1.6 MHz。輸入電壓范圍為2.7至5.5 V，輸出電壓范圍為3至24 V.該公司表示，LM2735允許使用小型電感器和電容器，同時工作效率高達90％。圖2所示的設計（1.6 MHz，VIN = 2.7至5 V，VOUT = 3.3 V，500 mA）采用兩個相同的電感，測量值為6.8μH。

圖4：非耦合電感SEPIC穩(wěn)壓器基于TI LM2735的設計。

Maxim Integrated還為SEPIC設計提供集成開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。 MAX629設計用于在0.8至28 V范圍內(nèi)的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達28 V的輸出電壓。 MAX629的開關(guān)頻率高達300 kHz，允許使用小型耦合或非耦合電感。

總結(jié)

SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)是降壓/升壓穩(wěn)壓器的理想替代品，具有額外的優(yōu)勢，即輸出電壓為不倒。可以使用耦合電感器或兩個非耦合繞組來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器。與非耦合電感器類型相比，耦合電感器版本帶來了略微提高的效率，減小的電路面積，更加良好的控制環(huán)路特性以及更少的EMI挑戰(zhàn)。但是，更容易找到非耦合電感 - 如果上市時間至關(guān)重要，這是一個重要的考慮因素。