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分享:单一输入电压实现分离供电轨的拓扑结构

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luck2013
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LV8
副总工程师
  • 2019-10-12 09:21:58
简介
      虽然轨到轨单电源运算放大器已得到广泛使用,但仍然常常需要由单一(正)输入供电轨产生两个供电轨(例如±15 V),以便为模拟信号链的不同部分供电。这些部分的电流一般较低(例如10 mA至500 mA),正负电源具有相对匹配良好的负载。
      该问题的一种解决方案是使用两个不同的转换器,一个提供正供电轨,一个提供负供电轨。这样做成本高昂,而且正如本应用笔记所示,也没有必要。另一种解决方案是使用一个反激式转换器,然而,两个电源在差分负载下往往不能非常好地保持一致,需要较大且昂贵的变压器,而且效率低下。
      更好的解决方案是使用一个SEPIC-C'uk转换器,该拓扑结构由连接到同一开关节点的一个输出不受调节的C'uk转换器和一个输出受到调节的SEPIC转换器组成。这一组合产生的两个电源几乎能在所有条件下都非常好地保持一致,除非负载100%不匹配。
      对该转换器的工作原理及使用ADI公司ADP161x的实现方案进行分析,证明这种拓扑结构功能全面。此外,本文将介绍一种革命性的新型设计工具,它有助于在用户应用中快速实现SEPIC-C'uk转换器。
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拓扑结构描述
      初看起来,SEPIC-C'uk似乎是一个很复杂的转换器,具有四个不同的电感和开关。但是,可以将它看作由两个转换器组成,从而简化分析。对于SEPIC或C'uk转换器,Q1和Q2开关以相反的相位工作。图2显示SEPIC转换器在两种不同开关状态下的电流流向。
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      虽然并不十分明显,但传输电容(C1)的电压约为恒定的VIN(带很小的纹波)。
      图4所示为SEPIC转换器的理想波形。当Q1导通时,SN2的电压等于-VIN.因此,在Q1导通(Q2断开)期间,L1a和L1b上的电压为VIN;当Q1断开(Q2导通)时,L1a和L1b上的电压为-VOUT.应用电感伏秒平衡原理,可以计算稳态直流转换比,如方程式1所示。D为转换器的占空比(开关周期中Q1导通时间所占的比例)。
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      C'uk转换器的工作方式与SEPIC转换器相似,但是,开关Q2接地,而不是连接到输出端,电感L2b连接到输出端,而不是接地。图3显示C'uk转换器在两种开关位置时的电流流向。
      C'uk是一个负输出转换器,因此流出负载的电流为其提供能量。
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      C'uk转换器的理想波形如图4所示。应用电感伏秒平衡和电容电荷平衡的原理,可知C1上的电压为VIN + VOUT.因此,SN2开关节点在GND(当Q2闭合时)与-(VIN + VOUT)之间切换。当Q1导通(Q2断开)时,L2a和L2b上的电压为VIN;当Q1断开(Q2导通)时,L2a和L2b上的电压为-VOUT。
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      图4和图5中的波形可知,C'uk中电感上的电压与SEPIC中的情况完全相同。因此,C'uk的占空比关系式恰好为SEPIC的负值,如方程式2所示。
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图5. C'uk理想波形
      由于占空比关系式大小相等但符号相反,开关节点(SN1)电压相同,电感电流相同,因此可以简单地将这两个转换器同时连接到节点SN1.合并后的转换器如图1所示。
      Q2和Q3由二极管取代,因为这些电源一般是低功率模拟电源,适合使用异步控制器。此外,两个电感(L1a和L2a)并联,这是因为L1a和L1b、L2a和L2b通过两个独立的耦合电感耦合在一起,由此会带来多项好处。
      耦合电感可将电感中的电流纹波降低两倍(参见"参考文献"部分引用的C'uk-Middlebrook论文)。此外,它可以消除方程式3和方程式4所确定的SEPIC和C'uk谐振,从而显着降低小信号模型的复杂度,并且支持更高的带宽。这样,我们就能使用种类众多的现成器件,而不必局限于为数不多的三绕组1:1:1电感。
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      也可以使用Coilcraft Hexapath系列等六绕组器件或定制的三绕组变压器。
耦合系数的限制
      虽然耦合电感具有突出的优势,但并不希望耦合太紧,以至于有大量能量通过铁芯传输。为避免这种情况,设计人员必须确保C1(和C2)在开关频率下的复阻抗小于泄漏电感(LLKG)的阻抗加上单一绕组DCR构成的复阻抗的十分之一。
      该不等式如方程式5所示。泄漏电感(Ll)可以利用方程式6和耦合电感数据手册中提供的耦合系数(K)来计算。Lm是数据手册中提供的自感测量值。注意,在方程式5中,Cx和Lx中的x表示C1或C2、L1或L2。
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差分负载和输出电压跟踪
      本质上,SEPIC-C'uk的C'uk(负)输出是未经调节的,因此与SEPIC(正)输出相比,输出电流的变化会带来一定的负载变化,特别是负载不匹配时。注意,其跟踪特性比相似配置的反激式转换器要好得多,尤其是在瞬变或负载不匹配的情况下,这是因为通道之间的耦合是直接连接,而不是通过本身具有泄漏电感的变压器进行连接。
      图6显示将一个30 mA瞬变施加于SEPIC-C'uk转换器的C'uk(-VOUT)输出的响应,SEPIC输出保持恒定的100 mA.图中显示两个输出均对该瞬变负载做出了响应。这是最差情况的瞬变,因为C'uk输出未经调节。值得注意的是,-VOUT轨显示的大部分偏差实际上是应用于两个轨的负载(IOUT+ 、I OUT- )之间不匹配所引起的直流调节偏移。
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图6. 对负(C'uk)输出施加30 mA阶跃负载的瞬态响应
      当两个电源的负载相同时,在稳态下,权重较大的误差项是电感的DCR不匹配和二极管的正向电压,可以让这些误差变得相对输出电压非常小。
      当负载显着不匹配时,误差增大,如图7所示。因此,在某些应用中,可能有必要在一个或两个通道上放置一个小的伪负载,使两个电源均在其调节窗口中。应注意,一般而言,只要有足够的裕量,则运算放大器等模拟芯片对其电源的直流变化不是很敏感。
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图7. 差分负载下供电轨之间的相对电压调节
小信号分析和环路补偿
  SEPIC-C'uk转换器的完整小信号分析超出了本文的范围,不过,利用本应用笔记提供的方程式,设计人员应能正确补偿其设计。ADP161x SEPIC-C'uk设计工具使用的模型更完整、更精确,但也复杂得多。所示的方程式适用于SEPIC-C'uk中的ADP161x器件,对ADI公司或其他公司制造的其他器件而言可能不够精确。
  只要满足几项设计要求,则SEPIC-C'uk的小信号模型看起来与不带C'uk的SEPIC转换器非常相似。假设SEPIC-C'uk供电轨使用的电感相同,这一要求是有道理的,因为两个输出是针对同一电压和电流而设计。
  C'uk和Middlebrook的论文(参见"参考文献"部分)表明:无论是小信号还是大信号,耦合电感的行为都与具有两倍的单绕组电感值、无SEPIC或C'uk谐振的电感相似。因此,本应用笔记的分析使用有效电感值,即耦合电感数据手册提供的单绕组电感值的两倍。分析假设使用相同的阻性负载,不过,转换器在较大的负载不平衡下仍能保持稳定。两个传输电容(C1和C2)的值应几乎相同,但C2略大于C1.假设这些电容为陶瓷电容,因此在计算有效电容时,设计人员需要考虑其直流偏置值的不同。
  补偿SEPIC C'uk的第一步是选择可实现的目标交越频率。像大多数升压和降压/升压拓扑结构一样,SEPIC-C'uk具有一个右半平面零点(RHP),它依据方程式7确定。RHP具有双重作用,既能像零点一样提高增益,也能像极点一样减除相位。因此,必须用最大为RHP频率(fRHP)五分之一的频率来补偿转换器的交越频率。
  SEPIC-C'uk还有一个谐振,它由泄漏电感(Llkg)和传输电容(C1)引起,发生于Fres.该谐振一般会被电感的DCR很好地消除,但可能引起较大的相位延迟,因此,交越频率应不超出其十分之一。此外,由于使用一个采用标准Type II补偿的电流模式控制器,因此最大可实现的交越频率约为开关频率的十分之一。所以,目标fu应为这三种约束条件下的最小值,如方程式9所示。
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图8. 功率级和补偿器件框图
  图8中的补偿值可以按照下式计算。由于假设使用陶瓷输出电容,因而可以将CC2选为10 pf。
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其中:
  FP为电流模式转换器的主要极点,通过一些校正因数来处理斜坡补偿和有限电流增益。
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      Ac为开环转换器增益在交越频率fu时的幅度。
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      Mc和FM是Ridley关于电流模式控制的论文(参见"参考文献"部分)中导出的项。
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      Vramp和Acs是芯片内的固定常数。
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功率器件选型要点
  电感中的30%纹波一般会产生合理的值(见方程式19),这是通常情况。然而,当降压比较大时,将输入电感中的纹波百分比提高到50%或60%可能更佳。
QQ截图20191011171142.png
      FET开关Q1、两个二极管开关Q2和Q3中的电流如图9所示。图9同时给出了开关电流的直流成分。注意,Q1承载用于SEPIC和C'uk两个供电轨的电流。峰值电流取决于方程式19中选择的纹波。
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图9. SEPIC-C'uk理想波形
  主开关Q1中的开关损耗计算超出了本应用笔记的范围。注意,在许多情况下,开关损耗可能相当大,因为开关得到的电压摆幅很大(~VIN + VOUT),而且电流也很大(参见图9)。
  ADP1612/ADP1613通过高速开关来降低这一损耗。所选FET的额定耐压值至少应为VIN + VOUT,良好的设计应当为杂散电感引起的开关节点响铃振荡,以及导通电阻损耗和开关损耗引起的热应力留有余量。
  SEPIC(正)输出的峰峰值输出电压纹波(ΔVripple SEPIC)可通过下式近似计算:
QQ截图20191011171951.png
      流经电容的电流值(I RMS Cout SEPIC)为:
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      C'uk(负)输出的峰峰值输出电压纹波(Δ Vripple C'uk)可通过下式近似计算:
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      流入C'uk(负)输出(Δ Vrip C'uk)上COUT的电流均方根值可通过下式近似计算:
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      C1和C2上的纹波应当约为VIN的5%.如上文所述,尽管其直流电压不同,但这些电容应具有相近的值。
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      选择C1和C2时,由于流经其中的电流相当大,必须考虑电流均方根额定值。
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      Q2和Q3一般是二极管,因此选择器件时需要考虑多个事项。V ds max的额定值至少应为VIN + VOUT.连续电流至少应为所见峰值电流的1/3.值得注意的是,由于两个电源的输出电压纹波之间的相位关系,SEPIC二极管实际上会在一定的时间内接收到全部开关电流,之后电流才实现更平均的分配。不过,正如预期的那样,流过两个二极管的平均电流相同,均为IOUT.此外,在应用的热环境下,封装必须能够处理IOUT.
QQ截图20191011173911.png
输出滤波器
  SEPIC-C'uk作为双轨转换器通常用于模拟电源,往往要求输出纹波极低。只需使用陶瓷输出电容,一般就能在C'uk(负)输出轨上轻松实现低输出纹波(低至1 mV),因为输出电流是连续的,像降压转换器的输出电流一样。
  在SEPIC(正)轨上,输出电流是断续的,像降压转换器的输入电流一样,这导致流入输出电容的电流发生阶跃变化。即便使用陶瓷电容,由于其电感影响,这些开关尖峰也不能得到很好的衰减。因此,常常需要在SEPIC绕组的输出端放置一个小的阻尼输出pi滤波器。
QQ截图20191012085935.png
图10. 输出滤波器原理图
  虽然该滤波器会以值得注意的新方式影响小信号模型,但本应用笔记不会详细讨论这一问题。只要根据方程式31和方程式32选择阻尼电阻,并且将转换器的交越设计在ωo的十分之一或更低,则pi滤波器应不会引起电路不稳定。
  利用"功率器件选型要点"部分的方程式,COUT1应针对约2%的输出纹波进行选择,COUT2应与C'uk输出端的输出电容匹配。Lfilt的合理值一般是1 μH,Qo应设为1.
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ADP161x设计工具
  ADP161x SEPIC-C'uk设计工具是一款基于Excel?的完全集成设计器,支持以SEPIC-C'uk配置使用ADP161x芯片。一旦用户启用宏(可能需要更改Excel的安全设置),就会出现Enter Inputs(输入信息)对话框,也可以通过点击Find Solution(查找解决方案)按钮找到该对话框。在对话框中,输入设计所要求的电压和电流,并选择是否优化成本、损耗或尺寸。
  点击View Solution(查看解决方案)按钮,设计工具将输出一个完整的优化设计,包括带价格和补偿值的BOM、精确并经过测试的效率-负载曲线、功率损耗-负载曲线、满载波特图、性能参数、器件应力以及每个器件的功耗。此外,Build Your Design(构建设计)选项卡提供同样的BOM,但器件安排在空白演示板(ADP161x-BL3-EVZ)上,并且会提供配置演示板所需的任何额外器件。
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图11. 基本输入对话框
  Advanced Settings(高级设置)对话框提供其他定制工具,用户可以选择输出电压纹波、电流、瞬态响应、可选输出滤波器使用、外部UVLO等参数指标。关于这些选项功能的详细说明,请点击Enter Inputs(输入信息)对话框中的Program Details(程序详情)按钮,可打开Program Details(程序详情)对话框。
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图12. 高级输入对话框
  该工具最强大的功能之一是User Interface(用户接口)选项卡中的器件按钮。利用该功能,用户可以更改各个器件,全面定制设计。
  先从成千上万器件组成的数据库中预选出下拉列表中的各器件,产生一个功能设计;然后根据Enter Inputs(输入信息)对话框中选择的优化条件进行排序。不同器件之间存在关联,因此必须从上至下依次选择器件。
实验结果
  为了证明该设计工具的有效性,我们利用该工具完成了一项设计,要求如下:5 VIN、±5 VOUT、50 mA,高级规格如图11和图12所示。此外,我们更换了二极管,使损耗稍低些。10 mA左右时参差不齐效率的曲线是转换器进入断续模式引起的。一旦两个开关均断开,开关节点响铃振荡便会在特定负载电流时引起零电压切换。该电路的原理图如图14所示。
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图13. 效率验证
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图14. 测试电路原理图
结束语
  总之,SEPIC-C'uk提供了一种低成本的可靠途径,可以仅用一个控制器来产生两个供电轨。ADIsimPOWER?设计工具支持完全定制设计,能够迅速构建鲁棒的SEPIC-C'uk设计。


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总工程师
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不知道是那个地方应用到。楼主能说明白点吗?讨教了,  1出2,正,负双电压输出。
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