BT3745及SEPIC电源方案.docx

BT3745采用SEPIC电路结构的升降压开关电源BT3745是贝克瓦特科技集团推出的一款频率为500kHz的采用SEPIC电路结构的 升降压开关电源芯片此开关电源工作在电流模式，内置补偿电路BT3745可 用作恒流/恒压充电器的电源，随负载变化，自动在恒流/恒压模式之间切换在 输出端（如电池包）普通接地的情况下，它的输入电压可允许高于、等于、或者 低于输出电压（电池电压）BT3745 -主要特点500kHz开关频率的单芯片SEPIC转换器输入电压可以高于、等于或者低于输出电压（电池电压）用作充电器时，电池负极可直接接地内置2A 60V开关管可设定恒流（充电）电流高精度控制-输出电压精度：20mV-输出电流精度：5%自动完成恒流、恒压模式切换利用SYNC引脚可实现开关频率同步和休眠功能TO-220封装在很多时候，设计者们总是要面对一组非孤立存在的电源规格参数，其中输 出电压介于输入电压的最大值与最小值之间他们必须在SEPIC及反激式拓扑之 间作出选择通常，他们会选择反激式拓扑，主要原因是对SEPIC缺乏了解，而 这种选择可能并不是最合理的表1列出了汽车立体声音响系统的一组电气规格参数可以看到输入电压范 围非常大，从10V到40V,其中10V的电压在大电流以及天气很冷的情况下使用， 而在汽车的电池断开时会出现40V的浪涌。

15V输出电压是输入电压范围的中间 值，需要一个对输入电压降压-升压的拓扑输出功率大约是26W,此功率在电 源效率不太好时会引起散热问题以这些规格为实例，图1是最后设计出的电源硬件原型，左边是SEPIC，右 边是反激式拓扑两种设计看上去很像，但是SEPIC的耦合电感要比反激式拓扑 的大在轻负载条件下，SEPIC转换器在连续电流模式（CCM功率因素校正控制器 的应用〃 target=_blank>CCM）下工作时需要较多的能量储存，因而需要较大尺寸 的磁性元件左：SEP^C 总：反滋貳拓扑图1：典型汽车立体声音响系统电源演示板（左边为SEPIC，右边为反激式拓扑）图2是两种拓扑简化的功率转换级电气原理图图中反激式拓扑也是在CCM 模式下工作电源开关Q3接通，变压器开始充电，Q3断开，变压器的次级电压 反转，电流通过D6到达输出端变压器输出等额的电量为输出电容充电，并输 送至负载通过控制占空比及进入系统的能量增加可以实现对电源的调节电源 开关及二极管都是工作在非箝位感应开关（UIS）模式，换句话说，施加在电源开 关及二极管上的电压在很大程度上由变压器的漏感与杂散电容来控制图2： SEPIC （左）及反激式图2中的SEPIC转换器也是在连续电流模式(CCM)下工作。

Q6接通后，C26 的正极接地，此时变压器T2的主次级线圈匝比相同，就会在C26的负极施加一 个与变压器输入端相等的负电压也就是说电容上会有一个所示极性的输入电 压，在这个电路中，当开关导通时，电能不断储存在初级电感中；电流流入次级 电感及耦合电容(C26),以均衡其电量开关断开，Q6上的电压开始消失；一个 来自初级线圈(通过C26)与次级线 圈(通过D9)的电流形成了输出电 流图3：反激式转换器设计图点击放大 图)此电路的优点在于场效应管 (FET)电压与二极管电压都被电容 器箝制住了，所以电路的瞬时扰动 很小不过耦合电容器C26上出现 很大的纹波电流就像是SEPIC为此 “付出的代价”然而，此纹波电 流在一定程度上会被C19的连续输 入电流所产生的纹波电流(比前者 小很多)抵消SEPIC拓扑电路的另 一个优点就是能从输入端吸取电能并同时输送到输出端，很像一个自耦变压器 因为功率开关不必处理全部功率传输，所以这种电路具有更高的效率表2从理论分析及具体数字两个方面比较了这两种拓扑的重要电路参数 此表假设电感纹波电流很小(大电感)，所用的是理想二极管同时假设反激式拓 扑占空比是最大值50%。

比较反激式拓扑的输入电容与SEPIC的耦合电容时就会 发现：两种拓扑的电容纹波电流很相似这两个电容器应该有相近的额定电压， 因为它们都是由输入电压来充电的两种拓扑都有很大的交流纹波电流，必须使 用低等效串联电阻(ESR)电容器以上面的设计为例，由于与反激式 电源相比，SEPIC的占空比较大，二 极管也需要较长的反偏时间，所以 需要稍微大一点的输入电容表3 也给出了两种电源的FET电压及二 极管电压最大值反激式拓扑的FET 看上去有一个更低的“平顶 (flat-1op)”电压但是，它必须图4： SEPIC转换器设计图点击放大开关一个没有被箝制的电感，这样 图) 它的电压最终会比SEPIC FET的大、 得多反激式拓扑二极管的峰值反向电压(PIV)以一个比SEPIC大的电压值开始，而且还会有一个非箝位感应开关 毛刺，这使得二极管的峰值反向电压很不理想在本例中，电压参数使得肖特基二极管在反激式拓扑中不能使用，而必须使 用传导损耗更高且效率更低的超快二极管反激式变压器的漏感在电源开关以及 输出二极管上引起的电压毛刺通常要求使用电压钳和/或者使用缓冲电路来限制 该峰值电压，这样会进一步降低效率反激式拓扑的FET均方根电流同样要比 SEPIC小，这会降低工作时反激式拓扑的电导损耗。

在元件方面，反激式拓扑电 源唯一的优点就是磁性元件可以更小电感的体积与所需储备的能量L*I2相关，反激式拓扑电源的存储能量大约是SEPIC的三分之一高能量储存需求是SEPIC 采用尺寸大得多的电 感的原因，如图1所图3和图4是图1所示硬件原型演示 电路的电气原理图图5：电源FET电压波形图(左边是反激式电源，右边是SEPIC)每个电路都只占据略 大于3平方英寸的面 积SEPIC的电感高 度是反激式电源中最 高元件高度的两倍此电感本可以设计为平躺，这样虽然可以降低高度，但也会增大印刷线路板(PWB)的面积除了磁性 元件以外，两种电源都选用相似的功率级元件，但是选用了不同的控制器反激 式拓扑选用UCC2813，它能把占空比限制在最大值——50%，而SEPIC选用 UCC3807,这种控制器允许占空比调整到超过50%在本例中，SEPIC的占空比设 为最大值——75%o反激式拓扑使用了 3个输入电容器来应对FET开关产生巨大 脉冲电流的交流均方根值通常情况下，高容量、低成本的铝电解电容器要比陶瓷电容器的使用效果好, 因为陶瓷电容器不能提供低输入脉冲电压所必需的电容值而在SEPIC中只需要 一个输入电容器来处理三个电感电流的交流均方根值。

这是一个相对比较低的均 方根电流和电容，也是一个非常容易达到的指标SEPIC需要两个耦合交流电容 器，和反激式电源的输入电容器有相同的电压需求，但是可以在更高的占空比下 工作高占空比把其均方根电流降至反激式电源输入电容均方根电流的三分之图6：输出二极管的波形20V/div), 左边是反激式电源，右边是SEPICo图5是两种电源的 FET电压的波形图 该波形图是在最大输 出负载与12V直流输 入的情况下测得的 反激式变压器的漏感 会产生一个电压峰 值,此峰值将一个20V 的电压附加在“平 顶”电压上相比而 言，SEPIC FET的开 关波形被箝制，表现出很小的过冲或波动这种箝制作用使造成的开关损耗较小、 输出电压噪声以及其功率级电路可工作在比反激式拓扑更高的频率下图6是两种电源的输出二极管开关波形同样地，相对于SEPIC，反激式变 压器的漏感也产生一个很大的电压毛刺oSEPIC只需要一个60V的肖特基二极管, 而反激式电源为了能够承受巨大的负极波动，需要一个200V的输出二极管反 激式电源的超快二极管存在1V的正向压降，而SEPIC的肖特基二极管只有0.5V 的正向压降，这使SEPIC可节约大量的电能。

J01 ■' 1 力rr.;、/J1k■al/路91%SO%88%E?%86%95%0.00 山药图7是两种电路在两个不同的输入电压下测得的效率曲线SEPIC的整体效 率普遍要比反激式电路的效率要高出4%,能达到的最高效率为92.7%两个电路 的元件功耗相近，只有输出二极管及缓冲电路除外非箝位感应开关迫使电路必 须使用更高电压的二 极管，结果损耗增大， 而且需要使用缓冲电rr-FhfiM 口旳 t-f咖扎刊存r—阡pn「如n 璋洛認柚1.00 T 曲Wpa Cur* ㈣图7：不同输入电压的效率曲线图SEPIC能提供比反激式转换器更 高的效率反激式转换器相 对来说更加简单且已 经被人们所熟知，这 是它的优势，SEPIC 能提供更咼的效率而 且元件的承载能力也 可以低一些表3对 这两种方案进行了比 较由于具有较低的 FET及二极管电压， SEPIC的效率更高 而反激式拓扑的元件 面积更小，因为SEPIC 的磁性元件相对较 大两种设计方法的 元件数目相近，其中 功率元件的数量相等，支持元件的数量相近反激式拓扑的一个不足是需要使用 缓冲电路连续输入电流不仅能降低SEPIC输入电容的纹波电流额定值，而且可 以提咼系统的电磁抗干扰能力。

如果在12V输入端有其他负载，反激式拓扑更可 能会在输入端产生不连续的输入电流以及不必要的纹波，这需要额外进行滤波此外还要考虑控制环路的特性与反激式拓扑相比，SEPIC控制环路特性的 文献描述较少，所以没有得到普遍认识在CCM模式下工作及实施电流模式控制 的SEPIC给控制系统提出了一些控制环路难题，包括补偿一个恰当的右半面零点 (right half-plane掺数规格输入电压10V-4QV输岀电压15V输出电流0„2A-1.75A动态调节+M%波纹1.5%数率最少85%表 1：典型汽车立体声音响系统的一组电气规格 zero）以及随输入电压及输出负载而大幅变化的闭环增益这样会导 致较低的控制环路增益，从而降低负载瞬态性能但是，如果处理得当的话，EPIC 转换器能提供一个卓越的高效解决方案设计参敦连纓电流櫻式 反懑式拓朴电恶Nps=2连缨电流摆式 SEPIC拓扑直瀾 Mp£=1连续电流樓式 丘施式抵补的 黑大喩费伍连缪电超 SEPfCfti% 叫初3.0SIA3.G9ADvout0.^60.27霄M訓吟0.43C.BO輪入电客 均方抿电涼 ^iripwL c-ap1 rms3.56AQA蛛岀电容 均方眼电流1.52 A2.14A鷄合电窘 坦方掘电流-碍IH2.52A稿合电容甜电压9 ■^ll!t_ITiaX4CVFET嵯值电压VFET PK4的+55VFET均方根电流SFET rmg'inde”™icVB4.71A3.99AFET电流梓值 ^ET pkl|ndc||门也7.13A515A临界电愚^□nlicaf口%1。