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为 SEPIC 设计选择电感器

 

基本工作过程

单端初级电感器转换器 (SEPIC) 允许输出电压大于、小于或等于直流到直流转换的输入电压。一些典型应用包括数码相机、手机、CD/DVD 播放器、便携式设备和 GPS 系统。

图 1 描绘了典型的 SEPIC 电路。在开关 (SW) 接通期间,两个电感器两端的电压等于 Vin。当开关接通时,电容器 Cp 与 L2 并联连接。L2 两端的电压与电容器电压 -Vin 相同。二极管 D1 为反向偏置,负载电流由电容器 Cout 提供。在此期间,能量存储在输入的 L1 中和 Cp 的 L2 中。

在开关 (SW) 断开期间,L1 中的电流继续流过 Cp 和 D1 并进入 Cout 和负载,给 Cp 再次充电以准备迎接下一个循环。L2 中的电流也流入 Cout 和负载,确保 Cout 再次充电以准备迎接下一个循环。在此期间,L1 和 L2 两端的电压均等于 Vout。Cp 两端的电压等于 Vin,且 L2 上的电压等于 Vout。为了确保如此,Cp 和 L1 节点处的电压必须是 Vin + Vout。L1 两端的电压是 (Vin+Vout) – Vin = Vout
simple-sepic-circuit-eaton-inductor-selection-sepic-designs.jpg
图 1. 简单的 SEPIC 电路

情况 1:两个单独的电感器

应用条件:

    输入电压 (Vin) - 2.8 V - 4.5 V

    输出(Vout 和 Iout)- 3.3 V,1 A

    开关频率 (Fs) - 250 kHz

    效率 - 90%

步骤 1. 计算占空比

    D = Vout/(Vout + Vin)

电感器纹波电流的最差条件为最大输入电压 D = 3.3/(3.3 + 4.5) = 0.423

调整输出电感器的容量大小,以确保电感器电流在最小负载下是连续的,并且输出电压纹波不影响转换器正在供电的电路。在这种情况下,我们将假设 20% 的最小负载,因此允许在输出电感器 L2 中输送 40% 的峰峰纹波电流。

步骤 2. 计算 L2 的值

    V = L di/dt

  • V 是施加到电感器的电压
  • L 为电感
  • di 是电感器峰峰纹波电流
  • dt 是施加电压的持续时间

    L = V.dt/di

  • dt = 1/Fs x D
  • dt = 1/(250 x 103) x 0.423 = 1.69 μ-sec
  • V = 开关接通期间的 Vin,因此:
  • L2 = 4.5 x (1.69 x 10-6/0.4)
  • L2 = 19 μH

结果:使用最接近的首选值将导致选择 22 μH 电感器。通常的做法是在 SEPIC 设计中为输入和输出电感器选择相同的值 - 尽管在使用两个单独的部件时不必这样做。

步骤 3. 计算两个电感器的 RMS 和峰值电流额定值

输入电感器 L1

  • Irms = (Vout x Iout)/(Vin (min) * 效率)
  • Irms = (3.3 x 1)/(2.8 x 0.9) = 1.31 A
  • Ipeak = Irms + (0.5 x Iripple)
  • Iripple = (V.dt)/L
  • Iripple = (2.8 x 2.2 x 10-6)/22 x 10-6 = 0.28 A
  • Ipeak = 1.31 + 0.14 = 1.45 A

尽管最坏情况的纹波电流处于最大输入电压下,但峰值电流通常在最小输入电压下达到最高。

结果:需要 22 μH、1.31 A rms 和 1.45 A 峰值额定电感器。例如,伊顿 DR73-220-R 具有 1.62 A rms 和 1.67 A 峰值电流额定值。

输出电感器 L2

Irms = Iout = 1 A

Iripple = (4.5 x 1.69 x 10-6)/22 x 10-6 = 0.346 A

Ipeak = 1 + 0.173 = 1.173 A

结果:需要 22 μH、1 A rms 和 1.173 A 峰值额定电感器 - 为简单起见,可以是同一个 DR73-220-R

情况 2:耦合电感器

步骤 1. 执行两个单独电感器选择程序中的步骤 1 和步骤 3 的 Irms 部分。

使用为两个电感器选择列出的应用信息。

步骤 2. 计算电感值

L = V.dt/di

从我们之前的示例来看,输出纹波电流需要为 0.4 A(峰峰),因此,现在我们对 0.8 A 进行计算,因为纹波电流在两个绕组之间拆分。

L = 4.5 x (1.69 x 10-6/0.8) = 9.5 μH

  • 耦合电感器具有在一个电感器中流动的电流,并且如果两个绕组紧密耦合,则纹波电流将在它们之间平分。
  • 使用耦合电感器可将所需的电感减半。
  • 由于两个绕组位于同一磁芯上,因此它们必须相同。

步骤 3. 计算峰值电流

我们继续使用电感值为 10 μH 的示例,现在需要计算最坏情况的峰值电流要求。每个绕组中的 RMS 电流已知。

  • 输入电感器 RMS 电流 = 1.31 A
  • 输出电感器 RMS 电流 = 1 A
  • Ipeak = Iin + Iout + (0.5 x Iripple)
  • Iripple = (2.8 x 2.2 x 10-6)/10 x 10-6 = 0.62 A
  • Ipeak = 1.31 + 1 + 0.31 = 2.62 A @ 最小输入电压

结果:需要一个 10 μH 耦合电感器(2.31 A rms 和 2.62 A 峰值额定电流),例如伊顿 DRQ74-100-R。

使用耦合电感器占用的 PCB 空间较小,并且成本往往比两个单独的电感器更低。它还提供一个选择,即让大部分电感器纹波电流在输入或输出中流动。通过这样做,可以最大程度减小对输入滤波的需求,或者在向敏感电路供电时可以将输出纹波电压降低到非常低的水平。