利用Zeta DC/DC转换器拓扑降低输出纹波电压

在开关DC / DC转换器的世界中，Zeta拓扑是SEPIC拓扑的一个鲜为人知的相对。两个转换器都提供可以大于，等于或小于V IN 的正输出电压，同时避免了降压 - 升压转换器的复杂性和成本。然而，Zeta转换器具有显着降低输出纹波电压的优势。

Zeta和SEPIC相似性

为了比较拓扑结构，我们使用LT8471双多重拓扑结构DC / DC转换器，具有两个2A / 50V电源开关和反相开关，可降低输入和输出纹波。 SEPIC拓扑很受欢迎，因为它很容易通过许多升压转换器IC（包括LT8471）实现，并且具有连续输入电流，这在电池供电系统中通常是需要的，以最大限度地减少电池的大脉冲电流消耗。由于V X 节点上需要负电压，Zeta具有降低的V OUT 纹波，与大多数开关稳压器IC不兼容（图1）。 p>

图1a和1b是使用LT8471的Zeta和SEPIC拓扑的简化原理图。每个拓扑需要两个电感（L 1A ＆amp; L 1B ），两个开关（Q 1 ＆amp; D 1 ）和一个飞电容器（C F ）。 Zeta重新排列SEPIC的元件，使得电感与V OUT 串联（我们将看到显着降低V OUT 纹波）。注意L 1A ＆amp; L 1B 可以并且通常是单个封装中的1：1耦合电感，以最小化电路板空间。

Zeta和SEPIC转换器使用相同的公式来计算连续导通模式下的开关占空比，并且假设它们具有相同的开关电流限制和组合的电感器电流纹波（对于两个电感器），它们都向负载提供相同的最大电流，这是：

其中I LIM 是Q1开关电流限制，DC是占空比，I L1_RIP 是组合电感电流纹波，η是转换效率（Zeta和SEPIC通常约为80％）。此外，Zeta和SEPIC转换器的二极管和电源开关要求V REVERSE 和V CE （见表1）相同。

Zeta和SEPIC差异

使用SEPIC转换器（图1b），低端Q 1 '开关周期性地拉出V X '接地，增加电感电流。 Q 1 '然后关闭，之后V X '飞到V OUT + V IN ，交付电流通过D 1 '到输出。使用Zeta转换器（图1a），Q 1 开关首先将V X 拉至V IN 然后关闭，之后V < sub> X 飞到-V OUT 。 LT8471具有独特而灵活的NPN电源开关设计，能够在发射极上处理-60V电压，使其可以与Zeta一起使用，以及其他更熟悉的（Boost，Buck，SEPIC等）拓扑结构。图1a和1b，两种拓扑都使用相同数量的无源元件。但请注意，SEPIC使用类似于升压转换器中使用的低侧电源开关Q 1 ，而Zeta需要高侧开关Q 1 。图2显示了Zeta转换器电流和开关波形。 Q 1 发射极电压在V IN 和-V OUT 之间切换。因此，E 1 引脚必须额定摆动到-V OUT 。

输出电压纹波

与降压和Ćuk转换器类似，Zeta具有非常低的输出电压纹波。这些转换器中的每一个都具有与V OUT 串联的电感器，防止输出电流的快速变化，否则会增加纹波电压。忽略C OUT 的ESR，在CCM中运行的Zeta的V OUT 纹波由下式给出：

< p>其中I L1B_RIP 是L 1B 电感电流的峰峰值纹波，F SW 是转换器的开关频率。

使用SEPIC时，当Q 1 '关闭时，器件外的电流仅流过D 1 '。这使输出电流不连续并增加电压纹波。忽略C OUT 的ESR，在CCM中运行的SEPIC的V OUT 纹波由下式给出：

其中I LOAD 是输出负载电流，DC是开关占空比。

从上面的等式中，考虑到I L1B_RIP 是通常是I LOAD 的一小部分，可以看出Zeta转换器的纹波比SEPIC转换器低得多。

输入电压纹波

忽略C IN 的ESR，在CCM中运行的Zeta的V IN 纹波由下式给出：

CCM中的SEPIC转换器输入电压纹波由下式给出：

其中C IN 是输入电容， I L1A'_RIP 是输入电感的电流纹波。

因此，与输出电压纹波相比，Zeta转换器的输入电压纹波通常高于SEPIC转换器。

组件电压额定值

表1比较了Zeta和SEPIC转换器。它列出了电源开关（Q 1 ），功率二极管（D 1 ）和快速电容（C F ）所需的额定电压。请注意，飞跨电容和电源开关端子电压（发射极和集电极）根据拓扑结构而不同。

低V OUT Ripple Application

图3显示了使用带有2A开关的LT8471双多拓扑DC / DC转换器的示例应用。该应用创建+/- 5V输出轨，均采用低纹波拓扑结构。通道1使用低输出纹波ĆUK拓扑创建-5V输出。通道2使用低输出纹波Zeta拓扑创建+ 5V输出。输入电压可在4V至25V之间变化。

使用此配置，两个输出都具有非常低的电压纹波，小于10mV，如图4.

结论

当需要低纹波，正输出电压时，请考虑选择Zeta拓扑结构。与SEPIC类似，它可以从输入电压产生一个稳定的输出电压，输入电压可以大于，等于或小于输出电压。由于其独特的NPN电源开关设计，LT8471 DC / DC转换器非常适合创建Zeta DC / DC转换器。