利用高效率SEPIC-C'uk转换器产生双供电轨

ADI公司 Kevin Tompsett

虽然单电源轨到轨运算放大器已得到广泛使用，但常常必须从单一（正）输入供电轨产生两个供电轨（例如±15 V），以便为模拟信号链的其他部分供电。这些部分的电流一般较低（例如 10 mA～500 mA），正负电源具有相对匹配良好的负载。

一种解决方案是使用两个不同的DC-DC转换器，分别用于提供正供电轨和负供电轨，但这样做不仅成本高昂，而且也没有必要。另一种解决方案是使用一个反激式转换器。然而，两个电源在差分负载下往往不能非常好地保持一致，需要体积较大且昂贵的变压器，而且效率低下。

更好的解决方案是使用图1所示的SEPIC-C'uk转换器[1]，该器件由一个输出不受调节的C'uk转换器连接到一个输出受到调节的SEPIC转换器的开关节点组成。这一组合产生的两个高效电源几乎在所有条件下都能非常好地保持一致，除非负载100%不匹配。

从最基本的层面来看，SEPIC-C'uk转换器就是一个SEPIC转换器连接至一个C'uk转换器，两者在开关节点处相互连接。图1中采用并联L1和L2的方式，而不是单个电感，目的是使两个转换器的耦合更加明显。转换器间之所以可以实现这种耦合是因为其转换率大小相等符号相反且SN1处的电压波形对两个转换器而言是相同的。

有趣的是，除了Cout，每个转换器中元件的电流都是相同的（因为C'uk产生负电压，因此需要考虑负号的情况），如图2和图3所示。在每个输出端负载相同的情况下，IL1=IL2、IL3=IL4、IC1=IC2且 IQ3=IQ2。

因此，每个元件应采用相同的值，这样就会在两个输出电压之间产生较好的匹配，并简化小信号分析。

这种拓扑结构可采用3个单绕组电感、2个耦合电感、1个定制1:1:1变压器，或者一个Coilcraft的六绕组Hexapath器件（或等效器件）构建。电感耦合可将电感中的电流纹波减少到原值的1/3[1]，大大降低小信号模型的复杂性，并通过消除SEPIC和C'uk共振实现较高带宽。

该拓扑结构的主要优势之一是，单个标准电流模式升压控制器（如 ADP1621[2]或 ADP1613[3]）可实现正负两种输出，反馈来自SEPIC（正）输出。如果根据以下原则选择器件，这种复杂转换器的小信号模式看起来就与单输出电流模式SEPIC基本完全相同：(1)每个输出端采用相同的电容；(2)C2的电容值应略大于C1。这些电容通常为陶瓷电容，因此必须考虑直流偏置上的差异；(3)应采用耦合电容，使 L1、L2分别与L4、L3耦合。SEPIC和C'uk输出端都应选用同样的电感。

本质上，SEPIC-C'uk的C'uk（负）输出是未经调节的，因此与SEPIC（正）输出相比，输出电流的变化会带来一定的负载变化，特别是负载不匹配时。注意，其跟踪特性比相似配置的反激式转换器要好得多，在瞬变或负载不匹配的情况下尤其如此。这是因为通道之间的耦合是直接连接，而非通过本身具有泄漏电感的变压器进行连接。

当两个电源的负载相同时，在稳态下，权重较大的误差项是由电感的直流电阻与二极管的正向电压不匹配造成的，应设法让这些误差相对输出电压来说变得非常小。

当负载显著不匹配时，误差增大，如图4所示。因此，在某些应用中，可能有必要在一个或两个通道上放置一个小的伪负载，使两个电源均在其调节窗口中。一般而言，只要有足够的裕量，运算放大器等模拟器件对其电源的直流变化不是很敏感。

图5显示将一个30 mA瞬变施加于SEPIC-C'uk转换器的C'uk(-Vout)输出的响应，SEPIC输出保持恒定的100 mA负载。注意，两个输出均对该瞬变负载做出了响应。

这是最差情况的瞬变，因为C'uk(负)输出未经调节。值得注意的是，-Vout轨显示的大部分偏差实际上是应用于两个轨的负载(Iout+、Iout-)之间不匹配所引起的直流调节偏移。

图6所示的测试板是基于Excel的ADIsimPowerTM设计工具[4]而构建。借助这款综合设计工具，用户可以快速而准确地针对SEPIC-C'uk和其他许多开关转换器拓扑结构创建完整的原理图和BOM。

实测效率如图7所示。参考文献[5]中给出了由单一输入电压实现分离供电轨的改进拓扑结构[5]。

[1]A general unified approach to modelling switching-converter power stages.http://www.ee.bgu.ac.il/～kushnero/temp/guamicuk.pdf.

[2]AD1621 data sheet[Z].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP1621.pdf.

[3]ADP1613 data sheet[Z].http://www.analog.com/en/powermanagement/switching-regulators-integrated-fet-switches/adp1613/products/product.html.

[4]ADIsimPower.http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dt-PowerMain.aspx.

[5]AN-1106.http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1106.pdf.