電池電源管理的單端初級電感轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)及優(yōu)點分析

單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）是一種DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”），能夠升壓（“升壓”）和降壓（“降壓”）輸入電壓;當(dāng)硅電壓要求高于電池的低電壓范圍時，從電池獲得最大容量的有用特性。

傳統(tǒng)的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器也可以做到這一點，但SEPIC具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)電壓的優(yōu)勢。對方。本文介紹了SEPIC電壓調(diào)節(jié)器拓撲結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點，并回顧了一些最新的基于SEPIC的電源模塊。

最大化電池容量

電池放電時，其輸出電壓會降低。例如，單個鋰離子（LI-ion）電池在完全充電時提供4.2 V電壓，在放電點結(jié)束時降至3 V.圖1顯示了在0.2 C負載下的鋰離子放電曲線（其中C是電池額定容量，以安培 - 小時為單位。因此預(yù)計電池在此負載下可持續(xù)使用5小時。）

圖1：鋰離子電池的放電曲線（由德州儀器提供）。用于移動產(chǎn)品的DC-DC穩(wěn)壓器旨在將電池（可變）電壓轉(zhuǎn)換為適合敏感硅的恒定電壓。線性穩(wěn)壓器使用可變電阻器作為分壓器，并通過反饋環(huán)路提供調(diào)節(jié)（參見TechZone文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點和缺點”）。

線性穩(wěn)壓器可以很好地工作到接近電池的位置輸出等于硅所需的電壓。然而，線性穩(wěn)壓器只能降壓（“降壓”）輸入電壓，因此根據(jù)穩(wěn)壓器的壓差電壓，電路將停止工作在略高于硅所要求的電壓。雖然現(xiàn)代“低壓差”（LDO）芯片可以最大限度地減小這種電壓差，但是沒有線性穩(wěn)壓器可以在輸入電壓低于其輸出的情況下工作。

德州儀器（TI）提供的TPS7A3401是一款LDO穩(wěn)壓器，可以產(chǎn)生從3到20 V電源輸出1.18到18 V.穩(wěn)壓器可提供高達200 mA的輸出電流，并具有0.5 V（200 mA）的電壓壓降。

線性穩(wěn)壓器的“僅降壓”配置在便攜式系統(tǒng)中可能是一個缺點，因為產(chǎn)品停止運行當(dāng)電池仍有一些容量時。例如，如果硅需要3.3 V，則在圖3所示條件下運行的電池供電的產(chǎn)品將在超過三小時后（而不是從其標(biāo)稱容量計算的五小時）“耗盡”。

開關(guān)DC-DC電壓調(diào)節(jié)器更靈活。在某些配置中，當(dāng)電池電壓降至臨界電壓以下時，開關(guān)穩(wěn)壓器能夠從降壓轉(zhuǎn)換為升壓（“升壓”）模式。模式改變后，穩(wěn)壓器的輸出將高于輸入電壓，為硅提供恒定電壓，同時最大化電池容量。

這種器件的一個例子是安森美半導(dǎo)體的NCP3064降壓/升壓開關(guān) - 電壓調(diào)節(jié)器。該芯片可在1.25至40 V輸入電壓下工作，在高達1.5 A的電流下提供3至40 V輸出。峰值效率為90％。

SEPIC的優(yōu)勢

典型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器降壓/升壓配置如圖2所示。輸出電壓是脈沖寬度調(diào)制串的占空比和輸入電壓的乘積。這種類型的器件因其高效率而在電池供電應(yīng)用中很受歡迎。

圖2：非隔離降壓/升壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器拓撲結(jié)構(gòu)（由Linear Technology提供）。1

基本降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵特性是負載電壓與電池輸出電壓相比發(fā)生反轉(zhuǎn)。這種電壓反轉(zhuǎn)會增加設(shè)計的復(fù)雜性，特別是在提供模擬元件時相比之下，SEPIC穩(wěn)壓器基于降壓/升壓設(shè)計，但增加了額外的電感和電容。此外，初級電感的一端連接到電池正極端（因此為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。這是通過第二個電感將二極管連接到地來實現(xiàn)的。由于在整個開關(guān)周期內(nèi)將相同的電壓施加到電感器，一些設(shè)計看到兩個電感器都纏繞在同一個磁芯上，具有減少元件數(shù)量和更緊湊的設(shè)計。

SEPIC配置（圖3）保留了降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)對電池供電設(shè)計的優(yōu)勢，但主要優(yōu)點是SEPIC的輸出電壓與輸入極性相同。

圖3：SEPIC開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器拓撲結(jié)構(gòu)（由Linear Technology提供）。

SEPIC設(shè)計具有許多其他優(yōu)點。首先，電容器將輸入與輸出之間的能量耦合，使器件能夠以比傳統(tǒng)降壓/升壓設(shè)計更受控制的方式處理短路。其次，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，SEPIC穩(wěn)壓器的輸出與降壓/升壓配置不同，降至0 V.第三，SEPIC設(shè)計使用最少的有源元件，并由簡單的控制器監(jiān)控，從而節(jié)省了成本和電路板空間。最后，由于SEPIC穩(wěn)壓器使用“鉗位”開關(guān)波形，因此其高頻開關(guān)操作降低了噪聲，從而減輕了電磁干擾的挑戰(zhàn)。2

SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)最顯著的缺點是效率降低額外的寄生電容和與額外電容和電感相關(guān)的阻抗。效果的大小因應(yīng)用而異，但典型的降壓/升壓器件效率可高達92％，相當(dāng)于SEPIC的峰值效率約為90％。

采購SEPIC模塊

與傳統(tǒng)的降壓/升壓同類產(chǎn)品一樣，基于模塊化電源管理芯片的SEPIC-穩(wěn)壓器來自眾多供應(yīng)商。這些模塊將開關(guān)穩(wěn)壓器的關(guān)鍵組件集成到單個芯片中，從而減輕了電路設(shè)計的一些挑戰(zhàn)。但是，通常情況下，此類模塊不包括電感器和電容器（請參閱TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。建議工程師采購專為SEPIC操作而設(shè)計的模塊，然后按照制造商的應(yīng)用說明選擇和設(shè)計適當(dāng)?shù)耐獠吭?/p>

凌力爾特公司提供專為SEPIC操作而設(shè)計的LT3467。該器件可從2.4至16 V的輸入產(chǎn)生1.255至40 V的輸出。最大電流輸出為1.1 A，器件可實現(xiàn)高達90％的效率（VIN = 4.2 V，VOUT = 5.0 V，IOUT 300 mA） 。）圖4顯示了LT3467的應(yīng)用電路。

圖4：Linear Technology LT3467 SEPIC應(yīng)用電路。

就其本身而言，TI為SEPIC配置提供TPS61170。該模塊的輸出電壓范圍為3至38 V，輸入電壓范圍為3至18 V.該器件的工作頻率為1.2 MHz，最高可提供1.2 A.效率也約為90％（VIN = 5時） V，VOUT = 12 V，IOUT = 150 mA。）

SEPIC電壓調(diào)節(jié)器是非隔離電池供電系統(tǒng)的理想選擇。該拓撲結(jié)構(gòu)能夠降低和提升電壓，與傳統(tǒng)降壓/升壓穩(wěn)壓器不同，它提供非反相和零電壓輸出。