Источники питания - понижающего-повышающего преобразователь по топологии SEPIC

SEPIC

Введение

При разработке вторичных источников питания бывает необходимость в получении стабильного выходного напряжения в системах где на входе подается напряжение в большом диапозоне, как меньше выходного так и выше выходного. Яркий пример, питание цифровой схемы от литиевой батареи, когда на холостом ходу выдается напряжение в 4.2В, и по мере разрядки батареи, напряжение может снижаться до 2.5В. И требуется получать стабильно напряжение 3.3В для питания цифровой схемы

Для таких случаев часто испульзуется SEPIC (single-ended primary-inductor converter) или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью.

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону. Далее мы рассмотрим почему схема хорошо себя показывает когда нагрузка имеет малую мощность

Архитектура

Схема SEPIC основана на схеме повышающего преобразователя (в англоязычной литературе такие преобразователи называются boost или step-up). Схема повышающего преобразователя показана на рисунке 1

Рис. 1 Схема boost преобразователя

Работу повышающего преобразователя можно разделить на два периода. В первом периоде ключ Vt1 замкнут, и к катушке индуктивности L1 приложено входное напряжение Vin. Через катушку течёт ток, нарастающий с течением времени. Второй период начинается с момента размыкания ключа Vt1. В соответствии с фундаментальным свойством индуктивности ток через неё не может измениться мгновенно, поэтому он продолжает течь, но уже через диод D1. Выходное напряжение Vout в такой схеме может быть только выше входного напряжения Vin, так как ток, текущий через катушку при разомкнутом ключе Vt1, создаёт на ней падение напряжения, положительное относительно Vin.

В схеме SEPIC, показанной на рисунке 2, это ограничение устранено при помощи конденсатора Cs, устанавливаемого между L1 и D1. Очевидно, что он блокирует постоянную составляющую напряжения между входом и выходом. Однако, анод D1 должен быть подключён к определённому потенциалу. Для этого служит вторая индуктивность L2, через которую D1 соединяется с землёй. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Рис 2. Топология SEPIC

Рассмторим детальнее первый период уже на схеме SEPIC. Когда ключ замкнут и схема заряжает индуктивность L1. Рис 3

Рис 3. Преобразователь SEPIC с замкнутым ключем

Первая индуктивность L1 заряжается от входного источника напряжения, вторая индуктивность заряжаеся от конденсатора C1. Выходной конденсатор поддерживает ток нагрузки. В это время энергия в нагрузку не поступает; полярности токов в катушках и напряжений на конденсаторах обозначены на рис. 3.

Когда ключ разомкнут, первая индуктивность заряжает конденсатор C1, а также поддерживает ток в нагрузке, как показано на рис. 4. Вторая индуктивность в это время также подключена к нагрузке. При размыкании ключа в выходном конденсаторе возникает импульс тока. Он вызывает специфическую помеху, из-за которой SEPIC порождает бóльший шум, чем повышающий преобразователь. Входной ток не пульсирует, это дает важное преимущество при работе от батарей.

Рис 4. Преобразователь SEPIC с разомкнутым ключем

Схема проще говоря взаимно перекачивает энергию из одного узла в другой, позволяя как повышать так и понижать напряжение.

Из схемы можно сразу заметить одно из двух преимуществ перед топологией повышающего boost преобразователя. Разделительный конденсатор Cs защищает вход схемы от короткого замыкания на выходе. Второе преимущество SEPIC - он удобнее там, где требуется полное отключение нагрузки, так как в повышающем преобразователе при разомкнутом ключе Sw напряжение на выходе равно входному напряжению минус падение напряжения на диоде.

Временную диаграмму токов показаны на рис 5

Рис 5. Временные диаграммы.

Анализ схемы

На рис. 6 показана эквивалентная схема преобразователя SEPIC, представляющая собой часть ключевой ШИМ-модели по постоянному току. Для анализа по постоянному току источниками малых сигналов пренебрегаем, индуктивности становятся премычками, а конденсаторы — разрывами цепей. После того как схема преобразована, легко написать выражение для внешнего контура схемы, позволяющее вычислить усиление напряжения в преобразователе. Модель по постоянному току — это просто трансформатор с коэффициентом 1/D. При желании можно включить в модель любые паразитные сопротивления [2]. После преобразования схемы в соответствии с рис. 5 мы можем записать выражение для внешнего контура преобразователя:

После преобразования получим:

Тогда усиление по постоянному току можно рассчитать по следующей формуле:

Эта формула иллюстрирует способность преобразователя как повышать, так и понижать напряжение. При D = 0,5 усиление будет равно единице.

Рис 6. Эквивалентаная схема SEPIC

Проектирование

Определим частоту преобразования. Высчитвыаем относительную длительность импульса и из нее уже выситываем частоту колебаний

Выбор индуктивности. Хорошее правило для определения индуктивности состоит в том, чтобы обеспечить размах пульсаций тока от пика до пика приблизительно в 40% от максимального входного тока при минимальном входном напряжении.

Выбор силового полевого транзистора. Базовое требование в выборе транзистора и выходного диода - чтобы их напряжение пробоя было больше проходимого через них.

Для транзистора

Выбор выходного диода. Как сказал выше, диод должен выдерживать тот же ток, что и ключевой транзистор, а его предельное обратное напряжение должно превышать сумму входного и выходного напряжений. Кроме того, для снижения потерь это должен бытьдиод Шоттки

Выбор разделительного конденсатора Конденсатор SEPIC должен быть рассчитан на больший среднеквадратический ток, чем требуется для получения заданной выходной мощности. Поэтому топология SEPIC больше подходит для маломощных приложений, где ток через конденсатор относительно невелик. Расчетное напряжение для конденсатора SEPIC должно быть больше, чем максимальное входное напряжение.

Где Vq - падение напряжения на открытом ключевом транзисторе

Выбор выходного конденсатора.

Значения ESR, ESL и величина емкости выходного конденсатора непосредственно влияют на выходные пульсации. Предположим, что вклад ESR дает половину размаха пульсаций, а другую половину дает емкость (рис. 7). Следовательно,

Рис 7. Пульсации выходного напряжения

Выбор входного конденсатора. Входной конденсатор должен выдерживать среднеквадратический ток. Несмотря на то, что для SEPIC емкость входного конденсатора некритична, высококачественный конденсатор емкостью 10 мкФ или более позволит предотвратить взаимовлияние с импедансом входного источника питания

Заключение

Был изучен принцип работы понижающего-повышающего преобразователя по топологии SEPIC. Выполнен анализ цепи. Исследованы возможности применения.

Приведены базовые формулы для расчета топологии.

Литература

1. перевод статьи “Analyzing the SEPICConverter”, Power Systems Design Europe, November, 2006. – Дмитрий ИОФФЕ

2. Перевод документа Application Note 1484 “Designing A SEPIC Converter” фирмы National Semiconductor. – Дмитрий ИОФФЕ

3. http://dmilvdv.narod.ru/Devices/design_sepic_converter.html

4. Разработка импульсного преобразователя напряжения с топологией SEPIC – Дмитрий ИОФФЕ

5. https://habr.com/ru/post/442374/

6. https://electronics.stackexchange.com/questions/579742/ceramic-output-capacitor-selection-for-ripple-current-sepic