Мой сайт
Главная
Вход
Регистрация
Суббота, 16.12.2017, 00:36Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта

Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 4

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Форма входа

Главная » 2014 » Февраль » 13 » Texas Instruments
10:25
 

Texas Instruments

SEPIC-топология с взаимосвязанными индуктивностями. Характеристика и преимущества

Джон Беттен ( John Betten )

Преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC) способен работать от входного напряжения, которое больше или меньше регулируемого выходного напряжения. Помимо того, что он способен работать как в качестве понижающего, так и в качестве повышающего преобразователя, SEPIC-преобразователь также имеет минимум активных элементов, простой контроллер и схемы переключений с ограничением, которые обеспечивают работу с низким уровнем шума. SEPIC часто отличают по использованию двух магнитных катушек. Эти катушки могут быть намотаны на общий сердечник, как в случае индуктивности, представляющей собой две обмотки с взаимосвязью, или могут быть отдельными катушками двух индуктивностей без взаимосвязи. Разработчик часто не уверен в том, какой из подходов является наилучшим, и есть ли на самом деле какая-то разница между ними. В статье рассматривается каждый из подходов и его влияние на практическое воплощение топологии SEPIC.

Функционирование электрической схемы

На рисунке 1 показана базовая схема SEPIC с взаимосвязанными индуктивностями. Когда полевой транзистор (Q1) включается, входное напряжение подаётся на первичную индуктивность. Так как отношение витков 1:1, на вторичную индуктивность также оказывается подано напряжение, равное входному напряжению; но, ввиду полярности индуктивностей, на аноде выпрямителя (D1) оказывается отрицательный потенциал и обратное смещение. При смещении выпрямителя требуется выходной конденсатор для поддержания нагрузки в течение этого времени включения, который вынуждает конденсатор переменного тока (CAC) заряжаться до входного напряжения. Пока Q1 включён, ток протекает в обеих индуктивностях через Q1 на землю, при этом ток вторичной индуктивности течёт через конденсатор переменного тока. Общий ток полевого транзистора в течение времени включения представляет собой сумму входного тока и выходного вторичного тока.

Базовая схема SEPIC с взаимосвязанными индуктивностями

Рисунок 1. Базовая схема SEPIC с взаимосвязанными индуктивностями

Когда полевой транзистор выключается, напряжение на индуктивностях меняет полярность для поддержания тока. Напряжение на вторичной индуктивности теперь ограничивается выходным напряжением, когда выпрямитель проводит ток для подачи его на выход. Благодаря эффекту трансформатора это ограничивает выходное напряжение на первичной индуктивности. Напряжение на стоке полевого транзистора ограничивается входным напряжением, к которому прибавлено выходное напряжение. Ток, текущий во время отключения полевого транзистора в обеих индуктивностях, протекает через D1 на выход, при этом ток первичной индуктивности течёт через конденсатор переменного тока.

Уравнивание вольт-микросекунд

Схема работает аналогичным образом, если индуктивность, состоящую из двух взаимосвязанных индуктивностей, заменить двумя индуктивностями, не имеющими взаимосвязи. Для того чтобы схема работала надлежащим образом, необходимо поддерживать вольт-микросекундный баланс в каждом магнитном сердечнике. То есть для этих двух индуктивностей без взаимосвязи произведения напряжения каждой индуктивности на время должны быть равны по величине и противоположны по полярности в течение периодов ВКЛ. и ВЫКЛ. полевого транзистора. Можно показать алгебраически, что конденсатор переменного тока в случае индуктивностей без взаимосвязи также заряжается до входного напряжения. Индуктивность со стороны выхода ограничивается выходным напряжением в течение времени выключения полевого транзистора, как и вторичная индуктивность в случае индуктивностей с взаимной связью. В течение времени включения полевого транзистора на конденсаторе переменного тока создаётся потенциал, равный входному напряжению, но противоположный по полярности относительно напряжения на индуктивности. При заданных ограниченных напряжениях на индуктивности в течение каждого интервала вольт-микросекундное уравнивание определяет рабочий цикл (D):

Это просто при работе в режиме непрерывной проводимости (CCM). Напряжение, создаваемое на индуктивности со стороны входа, равно входному напряжению, когда полевой транзистор включён. Когда полевой транзистор выключен, вольт-микросекундный баланс поддерживается путём ограничения VOUT на нём. Легко запомнить, что когда полевой транзистор включён, входное напряжение подано на обе индуктивности; а когда полевой транзистор выключен, на обеих будет выходное напряжение. Временные зависимости напряжения и тока двух схем SEPIC с индуктивностями без взаимосвязи очень похожи на такие же зависимости в случае варианта с взаимосвязанными индуктивностями, настолько, что их трудно отличить друг от друга.

Две или одна?

Если разница в работе схемы между этими типами SEPIC невелика, имеет ли значение, какую из них использовать? Схему с взаимосвязанными индуктивностями часто выбирают, потому что в этом случае в схеме меньше элементов, лучше интеграция и ниже требования к индуктивности по сравнению с вариантом двух отдельных индуктивностей. Однако ограниченный выбор готовых узлов взаимосвязанных индуктивностей высокой мощности представляет собой проблему для разработчиков устройств питания. Если они делают выбор в пользу разработки своих собственных индуктивностей, они должны указывать все соответствующие электрические параметры, а также быть готовыми к тому, что сроки вывода изделий на рынок будут больше. Топологии SEPIC с взаимосвязанными индуктивностями могут обладать преимуществом с точки зрения индуктивности рассеяния, которая снижает потери переменного тока [1]. Индуктивности с взаимосвязью должны иметь соотношение витков 1:1 для обеспечения вольт-микросекундного баланса. Если остановиться на варианте с двумя отдельными индуктивностями без взаимосвязи, это обычно даёт намного более широкий выбор готовых комплектующих. Поскольку не требуется, чтобы токи, и даже индуктивности, катушек были одинаковы, можно выбирать комплектующие различных размеров для реализации каждой из них, что обеспечивает большую гибкость.

Выражения с 1 по 3 показывают расчёты индуктивности как для случая взаимосвязанных индуктивностей, так и для случая отдельных индуктивностей:

Эти выражения определяют минимальную индуктивность, необходимую для работы в режиме CCM при максимальном входном напряжении и минимальной нагрузке. Сравнивая эти выражения с работой в режиме 50%-го коэффициента заполнения (что имеет место, если VIN равно VOUT) и единичной эффективности, видим, что значение, рассчитанное для взаимосвязанных индуктивностей по выражению (1), вдвое больше, чем в случае индуктивностей без взаимосвязи. Так как преобразователь определённо будет иметь потери, а большинство источников входного напряжения существенно изменяют свои параметры, это упрощённое обобщение относительно индуктивности обычно не верно; но часто его бывает достаточно для всех случаев, за исключением предельных. Обычно это означает, что преобразователь войдёт в режим прерывающейся проводимости (DCM) несколько раньше (или позже), чем ожидается, что в большинстве случаев остаётся приемлемым. Как указывалось ранее, в случае индуктивностей без взаимосвязи не обязательно нужно, чтобы индуктивность со стороны выхода имела такое же значение, что и индуктивность со стороны входа, как это часто предполагается; но это, конечно, можно сделать для простоты. Значение индуктивности со стороны выхода можно просто определить путём пропорционального изменения индуктивности со стороны входа на VOUT/VIN. Преимущество использования низкого значения индуктивности со стороны выхода заключается в том, что обычно она меньше и стоит дешевле.

Примеры разработок

Технические характеристики, приведённые в таблице 1, образуют основу для сравнения конструкторских решений. В первом варианте решения используются взаимосвязанные индуктивности, а во втором – две индуктивности без взаимной связи.

Таблица 1. Электрические характеристики опытных образцов SEPIC

Параметр Значение Входное напряжение 8–32 В Выходное напряжение 16 В Максимальный выходной ток 4 A Пульсации 1% Минимальный КПД
(при максимальной нагрузке)
91%

Вариант решения с использованием взаимосвязанных индуктивностей является типичным при диапазоне входных напряжений, используемых в автомобилестроении, при выходной мощности 64 Вт. Согласно выражению (1), узел взаимосвязанных индуктивностей требует значения индуктивности 12 мкГн, при этом номинал общего тока будет 13 A (на основании IIN + IOUT). Этот вариант решения создаёт определённые трудности при практической реализации ввиду ограниченного выбора готовых серийно выпускаемых индуктивностей. Поэтому была указана и разработана заказная индуктивность от компании Renco. Эта индуктивность была намотана на разъёмный сердечник, чтобы специально внести индуктивность рассеяния с целью сведения к минимуму циркулирующих переменных токов, которые могут вносить потери. Эти потери обусловлены тем, что пульсирующее напряжение конденсатора переменного тока подаётся на индуктивность рассеяния. В случае разработок низкой мощности узлы взаимосвязанных индуктивностей компаний Coilcraft (серия MSS1278) и Coiltronics (серия DRQ74/127) являются хорошими вариантами готовых комплектующих.

В случае решения с индуктивностями без взаимосвязи изделие Coilcraft SER2918 с номиналом 33 мкГн использовалось в качестве L1, а индуктивность Coiltronics HC9 с номиналом 22 мкГн была использована в качестве L2. Каждая из индуктивностей была выбрана исходя из сопротивления обмотки, номинального тока и размера. При выборе индуктивностей разработчик должен также учитывать потери в сердечнике и потери переменного тока в обмотках. Эти потери снижают допустимый постоянный ток через индуктивность, но не все поставщики предоставляют соответствующую информацию, чтобы провести такие расчёты. Пренебрежение надлежащим расчётом этих потерь может значительно увеличить температуру сердечника, которая выйдет за пределы обычных 40 °C. Это также может снизить КПД и ускорить преждевременный выход из строя.

На рисунке 2 показана схема опытного образца SEPIC с узлом взаимосвязанных индуктивностей. Чтобы реализовать индуктивности без взаимной связи, узел взаимосвязанных индуктивностей был просто заменён двумя индуктивностями на той же печатной плате. На рисунке 3 показаны обе схемы опытных образцов. На рисунке 3б, L1 занимает место узла взаимосвязанных индуктивностей, а L2 находится в верхнем правом углу.

SEPIC (16 В при 4 A) с узлом взаимосвязанных индуктивностей

Рисунок 2. SEPIC (16 В при 4 A) с узлом взаимосвязанных индуктивностей

Опытные образцы SEPIC

Рисунок 3. Опытные образцы SEPIC

Как и ожидалось, обе схемы работали примерно одинаково, с практически одинаковыми временными зависимостями напряжения и тока коммутации. Но было и несколько ключевых отличий в работе. В то время как контур управления варианта с взаимосвязанными индуктивностями вёл себя достаточно спокойно, вариант с индуктивностями без взаимосвязи изначально был неустойчив. Измерение коэффициента усиления контура показало, что виновником этого является высокодобротный низкочастотный резонанс, требующий добавления гасящего R/C-фильтра, подключённого параллельно конденсатору переменного тока. Резонансная частота, хотя это и очень упрощённое выражение, оказалась примерно равной:

Схема SEPIC имеет довольно сложную характеристику контура управления, заставляющую использовать математический аппарат для подробного анализа, потому что аналитические результаты зачастую трудно истолковать. Добавление этого гасящего R/C-фильтра (220 мкФ/2 Ом) повышает стоимость, увеличивает площадь, занимаемую схемой, и потери. Это лишние 10% площади, которые требуются для двух индуктивностей без взаимосвязи, по сравнению с вариантом, когда используется один узел взаимосвязанных индуктивностей.

На рисунке 4 показаны результаты измерения КПД обеих схем. Из рисунка видно, что имеется выигрыш КПД по всей плате до 0,5% в случае варианта с взаимосвязанными индуктивностями. Вероятно, это обусловлено низкими общими потерями в сердечнике в конструкции с взаимосвязанными индуктивностями, поскольку в этом случае потери постоянного тока в проводке были фактически выше, чем аналогичный показатель в случае варианта с раздельными индуктивностями без взаимосвязи. В L2 используется сердечник из прессованного карбонильного железа, который, как правило, имеет большие потери, чем ферритовый материал, используемый в L1 и заказном узле взаимо связанных индуктивностей компании Renco [2]. Хотя можно было использовать ферритовый материал в индуктивности L2, это привело бы к увеличению площади, занимаемой схемой.

И вариант с взаимосвязанными индуктивностями, и вариант с индуктивностями без взаимосвязи позволяют добиться высокого КПД

Рисунок 4. И вариант с взаимосвязанными индуктивностями, и вариант с индуктивностями без взаимосвязи позволяют добиться высокого КПД

Заключение

Топологию SEPIC можно успешно реализовать либо с узлом взаимосвязанных индуктивностей, либо с двумя индуктивностями без взаимосвязи. Улучшенный КПД, меньшая площадь, занимаемая схемой, и более устойчивая характеристика контура управления – вот преимущества опытного образца аппаратной реализации, в которой используется заказной, надлежащим образом намотанный узел взаимосвязанных индуктивностей. В то время как заказные комплектующие менее желательны, чем готовые серийные детали, имеется много готовых узлов взаимосвязанных индуктивностей, хотя и маленьких размеров. Если время вывода изделия на рынок является критически важным параметром, вариант с индуктивностями без взаимосвязи обеспечивает разработчику большую гибкость.

Литература


Просмотров: 90 | Добавил: formennow | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Поиск

Календарь
«  Февраль 2014  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
2425262728

Архив записей

Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz


  • Copyright MyCorp © 2017Создать бесплатный сайт с uCoz