Несимметричный первичной катушки индуктивности преобразователя ( SEPIC ) представляет собой тип преобразователя DC / DC , который позволяет электрический потенциал ( напряжение ) на его выходе , чтобы быть больше, меньше или равно , что на его входе. Выход SEPIC контролируется рабочим циклом переключателя управления (S1).
SEPIC - это, по сути, повышающий преобразователь, за которым следует инвертированный понижающий-повышающий преобразователь , поэтому он аналогичен традиционному понижающе-повышающему преобразователю , но имеет преимущества наличия неинвертированного выхода (выход имеет ту же полярность напряжения, что и вход), использование последовательного конденсатора для передачи энергии от входа к выходу (и, таким образом, может более изящно реагировать на выход короткого замыкания), и возможность истинного отключения: когда переключатель S1 достаточно выключен, выход ( V 0 ) падает до 0 В после довольно значительного временного сброса заряда. [1]
SEPIC полезны в приложениях, в которых напряжение батареи может быть выше или ниже предполагаемого выхода регулятора. Например, одиночная литий-ионная батарея обычно разряжается от 4,2 до 3 вольт; если для других компонентов требуется 3,3 вольта, то SEPIC будет эффективен.
Схема работы
Принципиальная схема для основного SEPIC показан на рисунке 1. Как и с другими переключаемых источников питания режим ( в частности постоянного тока в постоянный ток преобразователей ), то SEPIC обмен энергией между конденсаторов и катушек индуктивности для того , чтобы преобразовать от одного напряжения к другому. Количество передаваемой энергии регулируется переключателем S1, который обычно представляет собой транзистор, такой как полевой МОП-транзистор . MOSFET-транзисторы предлагают гораздо более высокий входной импеданс и меньшее падение напряжения, чем биполярные переходные транзисторы ( BJT ), и не требуют резисторов смещения, поскольку переключение MOSFET контролируется разницей в напряжении, а не током, как в BJT.
Непрерывный режим
Считается, что SEPIC находится в режиме непрерывной проводимости («непрерывном режиме»), если токи через индукторы L1 и L2 никогда не падают до нуля во время рабочего цикла. Во время стабильной работы SEPIC среднее напряжение на конденсаторе C1 ( V C1 ) равно входному напряжению ( V in ). Поскольку конденсатор C1 блокирует постоянный ток (DC), средний ток через него ( I C1 ) равен нулю, что делает катушку индуктивности L2 единственным источником постоянного тока нагрузки. Следовательно, средний ток через катушку индуктивности L2 ( I L2 ) такой же, как средний ток нагрузки, и, следовательно, не зависит от входного напряжения.
Рассматривая средние напряжения, можно записать следующее:
Поскольку среднее напряжение V C1 равно V IN , V L1 = - V L2 . По этой причине две катушки индуктивности могут быть намотаны на один и тот же сердечник, который начинает напоминать обратный преобразователь , самый простой из топологий ИИП с трансформаторной изоляцией. Поскольку напряжения одинаковы по величине, их влияние на взаимную индуктивность будет нулевым, если полярность обмоток правильная. Кроме того, поскольку напряжения одинаковы по величине, токи пульсации от двух катушек индуктивности будут одинаковыми по величине.
Средние токи можно суммировать следующим образом (средние токи конденсаторов должны быть равны нулю):
Когда переключатель S1 включен, ток I L1 увеличивается, а ток I L2 становится более отрицательным. (Математически она уменьшается в зависимости от направления стрелки.) Энергия для увеличения тока I L1 поступает от источника ввода. Так как S1 является короткое время закрыты, и мгновенное напряжение V L1 приблизительно V В , напряжение V L2 , примерно - V С1 . Следовательно, D1 размыкается, и конденсатор C1 подает энергию для увеличения величины тока в I L2 и, таким образом, увеличения энергии, запасенной в L2. I L поставляется C2. Самый простой способ визуализировать это - рассмотреть напряжения смещения цепи в состоянии постоянного тока, а затем замкнуть S1.
Когда переключатель S1 выключен, ток I C1 становится таким же, как ток I L1 , поскольку катушки индуктивности не допускают мгновенных изменений тока. Ток I L2 будет продолжаться в отрицательном направлении, фактически он никогда не меняет направление на противоположное. Из диаграммы видно, что отрицательное значение I L2 добавляется к току I L1, чтобы увеличить ток, подаваемый на нагрузку. Используя закон Кирхгофа , можно показать, что I D1 = I C1 - I L2 . Затем можно сделать вывод, что пока S1 выключен, питание на нагрузку подается как от L2, так и от L1. C1, однако, заряжается L1 во время этого выключенного цикла (как C2 L1 и L2), и, в свою очередь, будет перезаряжать L2 во время следующего цикла включения.
Поскольку потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 может менять направление в каждом цикле, следует использовать неполяризованный конденсатор. Однако в некоторых случаях может использоваться поляризованный тантал или электролитический конденсатор, [2] потому что потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 не изменится, если переключатель не замкнут достаточно долго для полупериода резонанса с индуктором L2, и тем самым время ток в катушке индуктивности L1 мог быть довольно большим.
Конденсатор C IN не влияет на анализ идеальной схемы, но требуется в реальных схемах регулятора, чтобы уменьшить влияние паразитной индуктивности и внутреннего сопротивления источника питания.
Возможности повышения / понижения мощности SEPIC возможны благодаря конденсатору C1 и катушке индуктивности L2. Индуктор L1 и переключатель S1 образуют стандартный повышающий преобразователь , который генерирует напряжение ( V S1 ), которое выше, чем V IN , величина которого определяется рабочим циклом переключателя S1. Поскольку среднее напряжение на C1 равно V IN , выходное напряжение ( V O ) равно V S1 - V IN . Если V S1 меньше двойного V IN , то выходное напряжение будет меньше входного. Если V S1 больше двойного V IN , то выходное напряжение будет больше входного.
Прерывистый режим
Считается, что SEPIC находится в режиме прерывистой проводимости или в прерывистом режиме, если ток через любой из индукторов L1 или L2 может упасть до нуля во время рабочего цикла.
Надежность и эффективность
Падение напряжения и время переключения диода D1 имеют решающее значение для надежности и эффективности SEPIC. Время переключения диода должно быть очень быстрым, чтобы не генерировать всплески высокого напряжения на индукторах, которые могут вызвать повреждение компонентов. Могут использоваться быстрые обычные диоды или диоды Шоттки .
Сопротивления в катушках индуктивности и конденсаторах также могут иметь большое влияние на КПД преобразователя и пульсации на выходе. Индукторы с более низким последовательным сопротивлением позволяют меньше энергии рассеиваться в виде тепла, что приводит к большей эффективности (большая часть входной мощности передается нагрузке). Конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) также следует использовать для C1 и C2, чтобы минимизировать пульсации и предотвратить накопление тепла, особенно в C1, где ток часто меняет направление.
Недостатки
- Как и повышающий преобразователь , SEPIC имеет пульсирующий выходной ток. Подобный преобразователь uk не имеет этого недостатка, но может иметь только отрицательную выходную полярность, если не используется изолированный преобразователь uk.
- Поскольку преобразователь SEPIC передает всю свою энергию через последовательный конденсатор, требуется конденсатор с высокой емкостью и способностью выдерживать ток.
- Природа преобразователя четвертого порядка также затрудняет управление преобразователем SEPIC, что делает его пригодным только для очень медленно меняющихся приложений.
Смотрите также
Рекомендации
- Маниктала, Санджая. Разработка и оптимизация импульсных источников питания , Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2005 г.
- SEPIC Equations and Component Ratings , Maxim Integrated Products. AppNote 1051, 2005 .
- Конвертер TM SEPIC в пре-регуляторе PFC , STMicroelectronics. Примечание по применению AN2435 . В этой инструкции по применению представлено основное уравнение преобразователя SEPIC в дополнение к практическому примеру конструкции.
- Преобразователи энергии высокой частоты , Intersil Corporation. Замечания по применению AN9208, апрель 1994 . В этом документе описаны различные архитектуры преобразователей мощности, включая различные режимы проводимости преобразователей SEPIC.
- ^ Роберт Уоррен, Эриксон (1997). Основы силовой электроники . Чепмен и Холл.
- ^ Dongbing Zhang, Разработка преобразователя Sepic. Май 2006 г., исправлено в апреле 2013 г. Ранее National Semiconductor Application Note 1484, теперь Texas Instruments Application Report SNVA168E.