sepic电路应用及sepic斩波电路波形分析

一、sepic电路应用

sepic电路应用（一）

市电220V首先经过变压器降压后，通过整流、滤波转换为直流电。由于整流、滤波输出后的电压较高，首先进行直流电压的一次降压，然后供给升降压SEPIC变换器，采用电位器实现无极电压调节，通过模数转换芯片采集电压、电流并显示。另外，输出回路增加过流保护。系统整体设计方案框图如图1-1所示。

开关电源电路设计

（一）SEPIC转换器电路设计

SEPIC转换器又称为升降压转换器，是本开关电源的重要组成部分。选用XL6009开关升降压型DC-DC芯片，固定开关频率400KHZ。超宽输入电压5~32V，超宽输出电压1.25~30V，具有自动升降压功能，在工作范围内任意电压输出均可稳压任意电压输出，最大输出电流为4A。原理图如图2-1所示。

由图可知XL6009芯片5脚为反馈端，4脚为电压输入端，3脚为功率输出端，2脚为内部电压调节端，不用可悬空，1脚为接地端。输入端需并联电解电容以消除噪声。由于输入电压最高32V，考虑各种因素，选择35V，220uF的固态电容，并且再并联一个瓷片电容以进行高频去耦。若输出电压最大为30V，需保证有一定的裕量，故选择50V，220uF的固态电容，且再并联一个瓷片电容以配合。因电感器对输出纹波有直接影响，通过计算两个电感均选择47UH。输出电压可调主要是依靠反馈电阻R1，R2的比值，R2为可调电位器，R1为固定阻值电阻。通过调节R2即可调节输出电压，得到5~30V之间的任意宽范围电压。

（二）TLC2543A/D转换采集电路设计

A/D转换电路负责对开关电源输出回路进行电压、电流实时检测，及时将检测值送给主控芯片，再由主控芯片对回路进行相应的保护。A/D转换采集电路图如图2-2所示。由图2-2可知，TLC2543A/D转换芯片11路模拟输入端口外接所要检测的值，电源的正负极接一去耦电容，以减小输入芯片的电源纹波。转换芯片还需个基准电压才能进行正常的A/D转换，此部分可直接板载电压或也可用一精准的基准电压。虽然外围电路简单，但因是一片较为敏感的芯片，尤其在高速转换时，极易受到外界干扰使转换值不准确，这就要求其芯片底部尽可能不要有信号线或电源线接近。

（三）电压衰减电路设计

开关电源若输出可调电压5~30V，远远大于A/D转换芯片的模拟输入量，需对其进行降压才能输入给转换芯片，这就采用分压电路。电压衰减电路可分为运放负反馈衰减和分压衰减。通过对比发现分压衰减电路较简单，分压衰减即是通过两个电阻串联对电压进行比例分配。其分压电路如图2-3所示。

图2-3分压电路原理图

sepic电路应用（二）

在不要求主级电路和次级电路之间电气隔离且输入电压高于或者低于输出电压时，SEPIC 是一种非常有用的拓扑。在要求短路电路保护时，我们可以使用它来代替升压转换器。SEPIC 转换器的特点是单开关工作和连续输入电流，从而带来较低的电磁干扰（EMI）。这种拓扑（如图1 所示）可使用两个单独的电感（或者由于电感的电压波形类似），因此还可以使用一个耦合电感，如图所示。因其体积和成本均小于两个单独的电感，耦合电感颇具吸引力。其存在的缺点是标准电感并非总是针对全部可能的应用进行优化。

图1 SEPIC 转换器使用一个开关来升降输出电压

这种电路的电流和电压波形与连续电流模式（CCM） 反向电路类似。开启Q1 时，其利用耦合电感主级的输入电压，在电路中形成能量。关闭Q1 时，电感的电压逆转，然后被钳制到输出电压。电容C_AC 便为SEPIC 与反向电路的差别所在;Q1　开启时，次级电感电流流过它然后接地。Q1 关闭时，主级电感电流流过C_AC，从而增加流经D1 的输出电流。相比反向电路，这种拓扑的一个较大好处是FET 和二极管电压均受到C_AC 的钳制，并且电路中很少有振铃。这样，我们便可以选择使用更低的电压，并由此而产生更高功效的器件。

二、sepic斩波电路波形分析

1、电路结构和工作状态分析

图1 SEPIC电路拓扑结构

图2 Q1断开时工作状态（状态1）

图3 Q1导通时工作状态（状态2）

图1为SEPIC电路的拓扑结构。图2为MOS管Q1断开时电路的工作的工作状态，电容Cs处于充电状态，电感L1和L2处于放电状态。图3为MOS管Q2导通时电路的工作状态，电容Cs处于放电状态，电源给L1充电，电容Cs给电感L2充电。图2和图3电路中的电流流向如图中箭头所示。

2、sepic斩波电路波形分析

我们构建起如图1 所示电路，并对其进行描述。该电路可在汽车市场获得应用。这里，其拥有一个8V 到36V 的宽范围输入，可以为稳定12-V 输出以上或者以下。汽车市场更喜欢使用陶瓷电容器，原因是其宽温度范围、长寿命、高纹波电流额定值和高可靠性。结果，耦合电容器（C6） 便为陶瓷的。这就意味着，相比电解电容器，它拥有较高的AC 电压，同时这种电路会对低漏电感值更加敏感。

图1 SEPIC 转换器可利用一个单开关降压或者升压

该电路中的两个47 uH Coilcraft 电感分别为：一个非常低漏电感（0.5 uH） 的MSD1260，以及一个较高漏电感（14 uH） 的MSC1278。图2 显示了这两个电感的一次电流波形。左边为MSC1278 电感的输入电流（流入L1 的引脚1），而右边为MSD1260 输入电流波形。左边的电流为一般情况。电流主要为其三角AC 分量的DC。右边的波形为利用耦合电感的高AC 电压以及一个低漏电感值所得到的结果。峰值电流几乎为DC 输入电流的两倍，而RMS 电流比高漏电感情况多出50%。

（a）松散耦合 （b）紧密耦合

图2 低漏电感（右边）带来严重的耦合电感回路电流

很明显，利用紧密耦合电感对这种电源进行电磁干扰（EMI） 滤波会存在更多的问题。这两种设计之间的AC 输入电流比约为5：1，也就是说还需要14 dB 的衰减。这种高回路电流产生的第二个影响是对转换器效率的影响。由于电源中多出了50% 的RMS电流，传导损耗将会增加一倍以上。图3将这两种电感的效率进行了比较（电路其它部分保持不变）。12V 到12V 转换时，两种结果都很不错——都在90%左右。但是，松散耦合电感在负载范围得到的效率高出1 到2 个百分点，而它的DC 电阻与紧密耦合电感是一样的。

图3 由于更少的电流，高漏电感（MSC1278） 产生更高的效率

总之，SEPIC 转换器中的耦合电感可以缩小电源的体积，降低电源的成本。电感并不需要紧密耦合。实际上，紧密耦合会增加电源内的电流，从而使输入滤波复杂化并降低效率。选择合适漏电感值的最简单方法是利用模拟。但是，您也可以先估算出耦合电容器的电压，然后设置允许纹波电流，最后计算得到最小漏电感。

3、CCM和DCM

CCM：Continuous Conduction Mode，（电感电流）连续导通模式

DCM：Discontinuous Conduction Mode，（电感电流）断续导通模式

开关电源工作于哪种工作模式，在开关电源频率不变的情况下，与开关电源的电感大小以及占空比有关系。

如果占空比比较小，电源给电感充电的时间就比较短，电感里面储存的能量比较少，很快就放电结束，电路工作在DCM模式下。

如果电路中电感的值比较小，电感中能够存储的能量比较少，放电过程也会非常快，电路工作在DCM模式下。

以L1为例，电路工作在状态2时（即图3所示状态）电感充电，此时电感产生的感生电动势为左正右负，电路工作在状态1时（即图2所示状态），电感放电，此时电感两端的电压为左负右正，给电容充电。电感放电结束时，电容Cs左端的电压一般比电源电压高，此时电感L1两端的电压为左负右正，电感出现了振荡的现象。如图4所示。

图4 DCM工作模式下电感两端的波形

图4中1，2，3表示电路工作的三个状态，1表示电感处于充电状态，2表示电感处于放电状态，3表示电感放电完了，电路处于振荡状态。

如果电路中电感的值、MOS管开关频率、占空比选择比较合适的时候，电路工作在CCM模式，图5表示CCM模式下电感两端电压的波形。

图5 CCM模式下电感两端的波形

图5中1，2表示电路工作的两个状态，1表示电感处于充电状态，2表示电感处于放电状态。