电池电源管理的单端初级电感转换器拓扑结构及优点分析

单端初级电感转换器（SEPIC）是一种DC-DC电压转换器（“稳压器”），能够升压（“升压”）和降压（“降压”）输入电压;当硅电压要求高于电池的低电压范围时，从电池获得最大容量的有用特性。

传统的降压/升压转换器也可以做到这一点，但SEPIC具有许多优于传统电压的优势。对方。本文介绍了SEPIC电压调节器拓扑结构及其优点，并回顾了一些最新的基于SEPIC的电源模块。

最大化电池容量

电池放电时，其输出电压会降低。例如，单个锂离子（LI-ion）电池在完全充电时提供4.2 V电压，在放电点结束时降至3 V.图1显示了在0.2 C负载下的锂离子放电曲线（其中C是电池额定容量，以安培 - 小时为单位。因此预计电池在此负载下可持续使用5小时。）

图1：锂离子电池的放电曲线（由德州仪器提供）。用于移动产品的DC-DC稳压器旨在将电池（可变）电压转换为适合敏感硅的恒定电压。线性稳压器使用可变电阻器作为分压器，并通过反馈环路提供调节（参见TechZone文章“了解线性稳压器的优点和缺点”）。

线性稳压器可以很好地工作到接近电池的位置输出等于硅所需的电压。然而，线性稳压器只能降压（“降压”）输入电压，因此根据稳压器的压差电压，电路将停止工作在略高于硅所要求的电压。虽然现代“低压差”（LDO）芯片可以最大限度地减小这种电压差，但是没有线性稳压器可以在输入电压低于其输出的情况下工作。

德州仪器（TI）提供的TPS7A3401是一款LDO稳压器，可以产生从3到20 V电源输出1.18到18 V.稳压器可提供高达200 mA的输出电流，并具有0.5 V（200 mA）的电压压降。

线性稳压器的“仅降压”配置在便携式系统中可能是一个缺点，因为产品停止运行当电池仍有一些容量时。例如，如果硅需要3.3 V，则在图3所示条件下运行的电池供电的产品将在超过三小时后（而不是从其标称容量计算的五小时）“耗尽”。

开关DC-DC电压调节器更灵活。在某些配置中，当电池电压降至临界电压以下时，开关稳压器能够从降压转换为升压（“升压”）模式。模式改变后，稳压器的输出将高于输入电压，为硅提供恒定电压，同时最大化电池容量。

这种器件的一个例子是安森美半导体的NCP3064降压/升压开关 - 电压调节器。该芯片可在1.25至40 V输入电压下工作，在高达1.5 A的电流下提供3至40 V输出。峰值效率为90％。

SEPIC的优势

典型的开关转换器降压/升压配置如图2所示。输出电压是脉冲宽度调制串的占空比和输入电压的乘积。这种类型的器件因其高效率而在电池供电应用中很受欢迎。

图2：非隔离降压/升压开关电压调节器拓扑结构（由Linear Technology提供）。¹

基本降压/升压拓扑结构的一个关键特性是负载电压与电池输出电压相比发生反转。这种电压反转会增加设计的复杂性，特别是在提供模拟元件时相比之下，SEPIC稳压器基于降压/升压设计，但增加了额外的电感和电容。此外，初级电感的一端连接到电池正极端（因此为SEPIC的名称）。电容器阻止输入和输出之间的任何直流分量。添加此电容意味着必须添加第二个电感，以便二极管的阳极可以连接到已知电位。这是通过第二个电感将二极管连接到地来实现的。由于在整个开关周期内将相同的电压施加到电感器，一些设计看到两个电感器都缠绕在同一个磁芯上，具有减少元件数量和更紧凑的设计。

SEPIC配置（图3）保留了降压/升压拓扑结构对电池供电设计的优势，但主要优点是SEPIC的输出电压与输入极性相同。

图3：SEPIC开关电压调节器拓扑结构（由Linear Technology提供）。

SEPIC设计具有许多其他优点。首先，电容器将输入与输出之间的能量耦合，使器件能够以比传统降压/升压设计更受控制的方式处理短路。其次，当开关关闭时，SEPIC稳压器的输出与降压/升压配置不同，降至0 V.第三，SEPIC设计使用最少的有源元件，并由简单的控制器监控，从而节省了成本和电路板空间。最后，由于SEPIC稳压器使用“钳位”开关波形，因此其高频开关操作降低了噪声，从而减轻了电磁干扰的挑战。²

SEPIC拓扑结构最显着的缺点是效率降低额外的寄生电容和与额外电容和电感相关的阻抗。效果的大小因应用而异，但典型的降压/升压器件效率可高达92％，相当于SEPIC的峰值效率约为90％。

采购SEPIC模块

与传统的降压/升压同类产品一样，基于模块化电源管理芯片的SEPIC-稳压器来自众多供应商。这些模块将开关稳压器的关键组件集成到单个芯片中，从而减轻了电路设计的一些挑战。但是，通常情况下，此类模块不包括电感器和电容器（请参阅TechZone文章“电感器在完成基于功率模块的解决方案中的作用”）。建议工程师采购专为SEPIC操作而设计的模块，然后按照制造商的应用说明选择和设计适当的外部元件。

凌力尔特公司提供专为SEPIC操作而设计的LT3467。该器件可从2.4至16 V的输入产生1.255至40 V的输出。最大电流输出为1.1 A，器件可实现高达90％的效率（VIN = 4.2 V，VOUT = 5.0 V，IOUT 300 mA） 。）图4显示了LT3467的应用电路。

图4：Linear Technology LT3467 SEPIC应用电路。

就其本身而言，TI为SEPIC配置提供TPS61170。该模块的输出电压范围为3至38 V，输入电压范围为3至18 V.该器件的工作频率为1.2 MHz，最高可提供1.2 A.效率也约为90％（VIN = 5时） V，VOUT = 12 V，IOUT = 150 mA。）

SEPIC电压调节器是非隔离电池供电系统的理想选择。该拓扑结构能够降低和提升电压，与传统降压/升压稳压器不同，它提供非反相和零电压输出。