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                基于ZETA拓扑结构的DC/DC转换器设计

                2012年04月05日10:36:28 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
                关键字:应用 电源 

                引言

                    同SEPIC DC/DC 转换器拓扑结构类似,ZETA 转换器拓扑通过一个在输出电压上下范围变化的输↑入电压提供正输出电压。ZETA 转换器也需要两个电感和一个串联电容器(有时称飞跨电容)。SEPIC 转换器使用一个标准升压转换器进行配置,ZETA 转换器则不就算他同,它通过一个驱动高端PMOS FET 的降压转换器进行配置。ZETA 转换⌒器是对不稳定输入电源进行调节的另一种方法,它就像一个低成本墙式电源。我们可」以使用一个耦合电感来最小化电路板空间。本文将介绍如何设计一个运行在连续导电模這年輕人就讓給你了式(CCM) 下带耦♀合电感的ZETA 转换器。

                基本工作原理

                    图1 显示了ZETA 转换器的简单⊙电路图,其由一个输入电容CIN、一个输出电容COUT、耦合电感L1a 和L1b、一个AC 耦合电容CC、一个功率PMOS FET 即Q1,以及一个二极管D1 组成。图2 显示了Q1 为开启在他旁邊状态和Q1 为关闭状态时,在CCM 下运行的转换器。

                1ZETA 转◤换器的简单电路图

                   若想要知道各个电路节点的电压,在两个开关都为关闭状态且无开关操作时对DC 条件下的电路进行分析□很重要。电容CC与COUT 并联,因此在稳态CCM 期间CC 被充电至输出电压VOUT。图2 显示了CCM 运行期间L1a 和L1b 的电压。

                2CCM 运行腦子里還滿是這個期间的ZETA 转换器

                    Q1 关闭时,L1b 的电压必须为VOUT,因为其与COUT 并联。由于COUT 被充电至VOUT,因此Q1 关闭时Q1 的电压为VIN + VOUT;这样一来,L1a 的电压便为相对于Q1 漏极的–VOUT。Q1 开启时,充电至VOUT 的电容CC 与L1b 串联;因此L1b 的电压为+VIN,而二极管D1 的电压①则为VIN + VOUT

                    图3 显示了通过各种电路组件的电流。Q1 开启时,输入电源的能量被存储在L1a、L1b 和CC 中。L1b 还提供IOUT。Q1 关闭时,CC 持续为L1a 提供电流,而L1b 再次提供IOUT

                CCM 期间ZETA 转魂飛魄散换器的分量电流

                CCM 期间ZETA 转魂飛魄散换器的分量电流

                占空比

                假设100% 效率占空比D,用于CCM 运行的ZETA 转换器,其为:

                它还可以被重写为:

                Dmax 出现在VIN(min),而Dmin 出现在VIN(max)

                选择♀无源组件

                设计任何PWM 开关调节器的首要步骤之一便是决定允许多少电感纹波电流ΔIL(PP)。过多◣会增加EMI,而过少又会导致不稳定的PWM 运行。一般原则是给K 分配一个介但擊破之后會脫力于0.2 和0.4 平均输入电流之间的值。理想纹波电流的计算如下:

                    在理想紧密型耦合电感中∴∴,每个电感的单芯上都有相同的绕组数,这时耦合迫使纹波电流在两个耦合电感之间等分。在现实耦一襲雪白色長袍合电感中,电感并没有相等的电感,并且纹波电流也不会完全相等。无论如何,在理想纹波电流值的情况〖下,如果存在两个单独的电感,则我们将耦合电感中要求的电感估算为实际嘶需要的一半,如方程式4 所示:

                    为了能够承受负载瞬态,在高端电感中,耦合电感的饱則是臉色蒼白和电流额定值需至少为稳态峰值电流的1.2 倍,其计算方法如方程對方式5 所示:

                请注意,IL1b(PK) = IOUT +ΔIL/2,其小于IL1a(PK)

                    与降压转换⌒ 器一样,ZETA 转换器的输出有非常低的纹波。方程式6 计算了完全由电容值引起的输出纹波电压部ω 分:

                    其中fSW(min) 为在看到這神秘白玉瓶之時最小开关频率。方程式7 计算了完全由输出电容ESR 引起的输出纹波电压部分:

                    请注意,这两个纹☆波电压部分均被相移,且不直接相加。就低ESR(例如:陶瓷电容)电容而言,可以忽略ESR 部分电压。要想满足应用的负载瞬态要求,最小电容限制是必需身上帶著一股冷峻的。

                    输出电容必须有一个大于电容RMS 电流的RMS 电流额定值,其计算方法如方程對方式8:

                     输入电容和耦合电容吸取和下拉的电流电平相同,但开关周期相反。与降压〗转换器类似,输入电容和耦合电容都需要RMS 电流额定值,

                    方程式10a 和10b 计算了完全由各自电容神色器电容值引起的输出纹波电压部分:

                    方程式11a 和11b 计算了完全由各自电容器ESR 值引起的输出纹波电压部分:

                    此外,两个纹波电压组成部分均被相移,且不直接相加;同时,就低ESR 电容盡在飛?速?中?文?網器而言,ESR 电压部分再次可以被忽略。典型的纹波值小于输入电容输入电压的0.05 倍,也小于耦合电容输出电压的0.02 倍。

                选择有源组件

                    我们必须谨慎选择功率MOSFET,以便它可以处理峰值电压和电流,同时最小化功ぷ耗。功率FET的电流额定值可以决定ZETA转换器的最大输出电流。

                    如图3 所示,Q1 承受了VIN(max) + VOUT 的最找到龍族了大电压。Q1 的峰值电流额定值必须为

                    在相关环境温度下,FET 功耗额定值必须】大于传导损耗(FET rDS(on) 的函数)和开关损耗(FET 栅极电荷的函数)的和,计算方法如方程式13 所示:

                    其中,QGD 为栅极到漏极电荷,QG 为FET 的总栅极电荷,IGate 为最大驱动电流,而VGate 为控制器的最大栅极驱动。Q1 的RMS 电流为:

                    输出二极管必须要能够处理与Q1相同的峰值电流,即IQ1(PK)。该二极管还必须◤能够承受大于Q1 最大电压(VIN(max) + VOUT)的反向电压,以处理瞬态和振铃问题。由于平均二极管电流为输出不知這妖界該如何去电流,因此二极管的封封装必须要能够驱散高达IOUT×VFWD的功率,其中VFWD 为肖特基二极管IOUT 的█正向电压。

                环路设计

                    ZETA 转换器是一种具有多个实复极频和零频的四阶转换器。与SEPIC 转换器不同,ZETA 转换器没有右他來是為了風流仙帝半面零点,并且更容易获得补偿,以使用更小的输出电容值达到更大环路带宽和更好负载瞬态结果。参考文献1 提供一个基于状态空间平均法的较好数学模型。该ㄨ模型将电感DC 电阻(DCR) 排除在外,但却包括了电容ESR。尽管参考文献1 中的转换器使鄭云峰滿臉興奮用陶瓷电容,但就后面的设计举例而言,电感DCR 代替了电容ESR,这样模型便可以更加紧密□ 地匹配测得值。开环路增益带宽(即利用一个可接收的典型45º 相位余量让增益穿过零频的频率),应该大于L1b 和CC 的谐傀儡樹人直接倒飛了出去振频率,这样反馈环路便可以在该谐振频率下

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