口腔根管测量仪宽输入SEPIC电源的设计

李慧，焦杰，顾芯铭，焦健

1.吉林大学中日联谊医院 a.口腔科；b.消化科，吉林 长春 130033；

2.吉林省广播电视研究所，吉林 长春 130041；3.吉林大学口腔医院，吉林 长春 130041

口腔根管测量仪宽输入SEPIC电源的设计

李慧1a，焦杰2，顾芯铭3，焦健1b

1.吉林大学中日联谊医院 a.口腔科；b.消化科，吉林 长春 130033；

2.吉林省广播电视研究所，吉林 长春 130041；3.吉林大学口腔医院，吉林 长春 130041

目的单端初级电感转换器（Single Ended Primary Inductor Converter，SEPIC）是一种效率较高的电源变换电路，具有既可升压又可降压的特点，并且输出电压与输入同极性。为了提高环境适应能力，要求设计该设备可适用的输入电压范围从2.5～25 V。方法本文采用这种电路原理设计了一种应用于口腔根管测量仪的直流电源变换电路。结果通过设计辅助供电电路，使其具有较宽的输入电压适用范围。在介绍SEPIC工作原理的同时，还分析了开关管、电感和电容的主要工作参数。关于最大电感量问题，极少有文章讨论过，本文提供了一个估算公式。结论SEPIC电路效果好，安全性高。

根管测量仪；单端初级电感转换器；直流-直流变换器；电感量

引言

根管测量仪是口腔科常用的一种可移动式电子设备，其内部电源要求输出电压5 V，电流1 A。对于便携移动设备来说，3.7 V的锂电池供电是首选方案。此外，比较方便的取电方式还包括5 V的小型充电宝、12 V的汽车点烟器及20 V的USB 3.1供电接口。为了提高环境适应能力，要求该设备可适用的输入电压范围从2.5～25 V。对此，本文用单端初级电感转换器（Single Ended Primary Inductor Converter，SEPIC）[1-3]结构设计了一种输入电压范围宽，成本低，体积小的DC-DC变换器。

1 材料与方法

1.1 技术难点

尽管输出功率不大，但是要求电压适应范围较宽，最高输入电压与最低电压之间有10倍的压差，并且跨越了输出电压，因此要求电路能够升压，又可以降压。

因为输入电压并不太高，又必须支持低电压，所以应选择MOS管作为开关管。在最低输入电压2.5 V时，为了使开关管能够充分导通，需要选用开启电压较低的元件。在MOS生产工艺上，追求低开启电压意味着更薄的栅极绝缘层[4]，这限制了栅极击穿电压VGS指标。常用MOS管的VGS一般不超过20 V[5]，甚至低压管的VGS仅有12 V。在最大25 V的电源电压直接加到栅极上会损坏元件。

在最高输入电压25 V的条件下，需要MOS管的耐压V(BR)DSS至少高于输入电压并留有一些余量[6]，实际电路应选择耐压约60 V级别。因高压管栅极较厚，所以最低输入电压作为栅极电压时，难以充分导通。这个设计要求的电压输入范围比较苛刻，MOS管在低端难以充分导通，高端还会击穿损坏。

1.2 电路结构选择

从成本和体积两方面考虑，采用非隔离[7-8]电感贮能DC-DC变换电路，一共有6种基本型式[9-10]，分别是：BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC和ZETA结构。本设备需要设计同极性升降压[11]输出，因此选择SEPIC结构作为实际的应用电路。

1.3 总体方案

为了能够同时适应高压与低压两种极端电压输入状态，设计了一个功率很小，仅用于稳定内部电路5 V供电的辅助电源为开关管驱动电路供电。具体办法是采取先用稳压器的稳压芯片[12-13]把输入电压限制在5 V以下，如果输入过低就用BOOST电路升压到5 V。这样总是用5 V栅极电压开启MOS管，既能适应低压实现输入充分导通，又能适应高压输入不会损坏。

主电源换能部分选用了工作频率是100 kHz的DC-DC变换芯片MC33063作为核心，驱动SEPIC电路的MOS开关管AOD444。转换器的电路原理图，见图1。

辅助电源先用LDO芯片U1限制滤波电容C3两端电压，再用由U2、D2、L1和C4组成的BOOST电路升压到5 V。从而无论输入电压从2～30 V之间怎样变化，这个辅助电路都可以让主要芯片U3和U4的工作电压保持稳定。

由Q1、L2、C6、L3、D3和C7组成的SEPIC电路，是完成能量从输入VIN到输出VOUT转移，实现电压变换的核心。电源变换芯片U4第1脚输出的方波，经过史密特触发器U3整形，送到开关管Q1的栅极来驱动SEPIC电路。由R2、R3电阻获取输出电压值并反馈到U4的第5脚，U4根据这个采样值计算出输出电压的误差，用PWM方式调整1脚输出方波的占空比，动态控制C7充电贮能的多少，实现输出电压可以稳定在预期的5 V附近。

1.4 EPIC变换器基本原理

SEPIC是一种可以实现输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC-DC变换器。SEPIC电路的示意图，见图2。

L2和L3初始状态都没有电流，并且C6两端电压为零。当开关管Q1导通时，电源输入VIN向L2充电，电流强度iL=i0+VINt/L2随时间线性增加。经过一段时间之后Q1截止，在此瞬间L2中电流It不能突变，必须向C6充电，使C6两端电压上升。C6两极电压不为零时，Q1导通不仅实现电源对L2充电，还使C6向L3放电，能量从C6转移到L3。在C6充分大的情况下，可认为C6在放电过程中电压Vc保持不变。放电电流ic=i0+Vct/L3也随时间线性增加。Q1中电流强度等于L2与C6电流之和。

图2 SEPIC电路

在C6向L3放电期间，若Q1截止，L3中电流不能突变，以初值为ic经D3向C7和负载VOUT放电，实现能量从电源VIN到负载VOUT的转移过程。在理想条件下，若开关管工作的占空比d=ton/(ton+toff)，则有电压变换公式为：VOUT/ Vin=d/(1-d)。

2 结果

2.1 工作状态分析

实现电压变换的本质，就是先把能量暂存到电感和电容，然后再输出送给负载的过程，实际电路设计必须分析开关管、电感和电容的工作参数。

2.2 开关管最大工作电流

为了保留适当的余量，可以按照75%的工作效率进行估算。当输出1 A电流，输入电压为2.5 V时，输入电流达到最大，平均值约为2.7 A，占空比约67%，这种情况下，流过电感L2、电容C6会同时出现最大值。

电路工作在开关模式下，输入平均电流等于电感平均电流乘以占空比。再按照电感L2、L3电流波动不超过30%计算[12]，电感L2电流最大值iL约为4.6 A，电容C6电流最大值ic约为4.6 A，因此开关管电流的最大值约为9.2 A。

2.3 电感分析

实际电路中电感的分布参数会降低工作效率，并且电感量存在一个合理的取值范围。

2.4 电感最小值计算

如果电感L2取值过小，在电压最高为25 V时，按照电流在1.7 µs以内从零上升到4.6 A，使开关管有饱和的危险，可计算电感最小值约9 µH，并且要求电感的磁饱和电流大于4.6 A。

2.5 电感最大值计算

极少有文献讨论过电感取值的最大值问题。定性分析电感贮能向负载转移这个过程，电感贮能果能量转移前后的电流分别是I0和I1，转移出的能量当电感量非常大时，能量转移过程中电感电流变化极小。因为在贮能公式中电流的阶数高于电感量，所以结果能够转移的能量也非常少。电感的充电过程也一样。因此，实际应用的电感量取值一定存在上限。

在占空比为d的理想情况下分析电感充电过程，充电之前电流i0，充电之后电流变为i1，在充电周期dT中，输入电压Uin对电感充电，电流变化[13-14]

按照在每个充电周期中，电感至少需要转移自身贮能的千分之一进行估算，也就是电感电流至少需要变化3%。因为电感充电时电流线性增加，若平均电流为I，则i0+i1=2I，所以有：i0=0.985I，i1=1.015I。如果Iin是电路输入平均电流，那么根据dI=Iin关系，得到估算公式：

由此计算出在输入电压最低2.5 V的条件下，电感最大值为185 µH。综合考虑元件的尺寸与重量，在实际电路选择了比上下限中间值略小的47 µH电感。

2.6 电容分析

上述分析过程中，认为贮能电容量充分大，两端电压保持不变。实际电路电容量的选取原则是两端电压波动在10%以下。因为这个电容量没有理论上限，所以在综合条件允许的情况下可以适当加大电容量，尽可能接近理想情况。

因为电容中流过的高频电流较大，所以需要选用低等效串联电阻的高频电解电容器，必要时需要用多个电容并联分摊电流。在输出功率较大时，电容器发热会降低工作效率并明显缩短寿命。

2.7 开关管驱动

开关管的栅极的电容量较大，并且因密勒效应[15]，导致动态栅电流较大。尽可能缩短开关切换时间，可以提高效率。因此，把方波经过一个史密特触发器整形之后，再送到MOS管的栅极,可以明显加速开关管的切换过程[16]，提高了转换效率。

2.8 测试结果

用一个4.7 Ω的大功率电阻作为负载，在不同输入电压下测试电路。输入与输出电压和电流的实测数据，见表1。

表1 输入和输出的电压和电流数据

计算能量转换效率在曲线和输入与输出电压的变换曲线图，见图3。

图3 电源转效效率和电压变换曲线

3 讨论

通过设计辅助电源，给MOS管提供了足够的栅压，实现在2.5 V低电压输入的条件下也能输出较大功率。因为采用了稳压输出的辅助电源，所以驱动开关管导通的栅极电压固定，也就是MOS管漏极电流上限与输入电压基本无关，因此最大输出电流与输入电压差不多成正比关系[17]。实测在3.5 V输入时输出电流可超过1.5 A，9 V输入时输出电流可达3 A以上。电路利用史密特触发器加速栅极电容充放电，可以明显提高开关效率。实测这个电路在1 A电流输出时，整个输入电压范围内效率一直保持在80%～90%。大电流输出时，整流二极管D3发热会损失能量，需要使用正向压降较小的肖特基二极管[18]以减小损耗，如果采取同步整流[19]方法可进一步提高效率。

在SEPIC电路中，电源在开关管导通期间把能量贮存在电感中，开关管截止期间，在能量在向电容转移的同时，电源也会向负载做功，效率较高。另外，SEPIC电路还有一个重要的优势就是在关机或故障时，输出与输入将被电容隔离，因此安全性好。本文通过设计一种辅助供电方案，实现了最低2.5 V，最高25 V的输入电压条件下，口腔根管测量仪都能正常使用。

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本文编辑 袁隽玲

Design of Wide Input SEPIC Power Supply for Oral Root Canal Measuring Instrument

LI Hui1a, JIAO Jie2, GU Xin-ming3, JIAO Jian1b

1.a.Department of Stomatology; b.Department of Digestion, China-Japan Union Hospital of Jilin University, Changchun Jilin 130033, China; 2.Radio & Television Research Institute of Jilin Province, Changchun Jilin 130041, China; 3.Stomatological Hospital of Jilin University, Changchun Jilin 130041, China

ObjectiveSingle ended primary inductor converter (SEPIC) is a kind of highly efficient power conversion circuit with benefit of boost & buck. The aim of this study was to design a device with high ability for environment adaptation, and with the input voltage of 2.5～25 V.MethodsA kind of DC power supply circuit was designed based on the principle of the circuit in this paper.ResultsIt had a wide range of input voltage because the design of auxiliary power supply. The main working parameters of the switching tube, inductance and capacitance were analyzed. The paper introduced an estimation formula for the maximum inductance which was rarely discussed.ConclusionThe SEPIC is a kind of highly efficient power conversion circuit with high security.

root canal length meter; single ended primary inductor converter; DC-DC converter; inductance

R197.324

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.013

1674-1633(2017)08-0051-04

2017-02-23

2017-03-03

焦健，主任医师，硕士生导师，主要研究方向为消化内科。

通讯作者邮箱：jiaojiex@163.com