12 SEPIC和Cuk变换器

这章呢要和大家介绍的是 Sepic 电路和 Cuk 电路 那么 Sepic 电路呢 它比较适用于一些功率比较小的场合 比如说小于一个50W的场合 它呢也是就是说跟我们之前分析的一样 它是能够做一个升降压变换的一个功能 比如说可以让输入电压与输出电压 并没有一个固定一个大小关系 同时呢这个 Sepic 电路 它是一个很典型的一个反激类型的一个变换器 比如说输入端的能量传递到输出的能量的时候呢 它的主要开关管是处于一个关断的一个 就是说不开通的一个状态 然后呢它的输入端依然是有一个 LC 的一个滤波器 这样就导致我们它那个输入端的一个 纹波电流相对来说会比较小 但是呢 在输出端呢它是有一个比较大的一个纹波电流 所以说在输出端的一个滤波器呢 会相对来说会比较大 那么在这一块 如果是我们在 Sepic 电路的话 我们用一个耦合的一个电感 来代替两个分离电感的话 那么要注意的话就是说我们 必须要用一个1:1耦合的一个耦合电感 因为这样子才可以保证 两个耦合绕组上的一个伏秒的值 在同一个开关周期之内那个值都是一样的 同时呢它的实现方式也比较简单 就是简单用一个 Boost 变换器 然后带一个单管的驱动 就可以实现 那么相对来说那个 我们前面提到那个 Buck-Boost 的那个两管 或者四管那个驱动的话 它的那个驱动方式大大地得到节省 同时呢它也只需要有一个单管的一个整流管 也就是说它的整个电路的成本来说 会相对来说会低很多 对于它那个像与如果是与隔离的 不隔离的一个反激变换器来讲呢 它有个最大的优势就是说 它在开关节点的那个 Vds 上的振铃会基本上是没有 因为被一个电容给钳位住 所以说这个是它那 EMI 的特性会很好 对于那个多路输出的情况 它跟那个就是 flyback 就是跟反激是一样的 就是说它也可以用多个绕组 比如说用多个那个电感的一个绕组 来实现一个多路的输出 那么对于一些更大的一个电流的话 比如说就是跟我们之前的方式一样 如果是电流整流电流会很大 那么如果我们依然是采用一些二极管来整流的话 那么同样的 这样造成的一个导通的损耗会比较大 所以说在一些大电流的应用场合 我们还是要建议 用一个同步整流的一个 MOS 管来替代这些二极管 那么这个呢 它是一个 Sepic 电路的一个主要的一个工作的一个模式图 我们可以看到 就是说 它这里是有两个的一个电感 分别是 L1 跟 L2 当主管呢就是一个 Q1 就是说 Q1 导通的时候 输入电压呢会通过 L1 这里呢 直接接到一个地端 也就是说 输入电压直接会加到 L1 上来 对它进行一个充电 也就是这里会有一个充电的一个回路 同时呢因为 Q1 导通 那么这个时候呢 C1 上的电压 C1 上的电压它是等于一个输入电压的 那么 C1 电压呢也会通过 Q1 来加到一个 L2 上 同时就是说这里会产生第二个的一个充电的回路 那么同样呢就是说 L2 上的电压也会是一个输入电压 然后呢输出端 因为这里的电压是一个反向的 所以 D1 是不会导通 输出端的电压是由 C0 在这个时候提供的 当 Q1 就是主管关断了之后 就是整个的变换器进入一个续流的阶段 那么 Q1 关断了之后呢 我们可以看到 就是说 L1跟 L2 的电流 它都是需要有一个续流的一个要求 那么同时的话 就是说 如果是 L1 的电流需要续流的话 我们可以看到输入的电压 可以通过 L1 再经过 C1 然后再经过D1 最终到输出 这里形成一个续流的回路 同时呢对于 L2 的一个电流的话 它依然要保持一个电流的流动的一个方向性的一致性 就是说它这个电流会通过 D1 向输出 然后最终流回 L2 的地端 也就说这里是第二个一个续流的一个回路 我们可以看到这个是电感 L1 的一个电流波形 这一段对应于我们的主管开通的这个时间 下面这个是 Q1 开通一个电流波形 就是说当 Q1 开通的时候 我们可以看到 就是说 Q1 上流的电流就是 L1 的一个电感电流 那么当 Q1 关断了之后 L1 上的电流会继续流动 会进入我们的那个提到的那个续流的回路 但是 Q1 上是不会再有电流流动 也就是说这时候电流会变成0 那么对于 C1 的那个电流来讲 在我们的主管开通的这个阶段呢 我们的 C1 它是通过我们的主管向 L2 进行放电 就说这里它会是一个负向的一个放电电流 那么当 Q1 关断了之后进入续流阶段 输入端会通过 L1 向 C1 进行充电 也就是说这里会看到一个充电的一个正向电流 那么这个电流实际上就是等于 L1 的一个续流的电流 所以我们看到这里会是一个正的电流 这里会是一个负的电流 那么对于整流管 D1 来说 我们在主管开通的时候 D1 是没有电流了 因为它被电压给反向阻断了 那么当主管关断了 那么我们进入一个续流阶段 那么这个时候 也就是 L1 的一个续流电流会流过这个 D1 同时呢也有 L2 的一个电流也同时会流过 D1 那么这是两个续流电流的一个叠加 那么对于 Cuk 电路的话 它就是相对于我们 Sepic 电路的话 它是那个一个最大的一个 就说它是一个反向的一个 Sepic电路 就是它的功率是一致的 但就是说它那个输出电的极性 跟我们 Sepic 电路的输入的电压极性 有反向的一个关系 那么同样呢对于其他这些特点 它也是一个典型的一个反激类型的一个变换器 能量也是传递到那个输出端 那个当我们的管子是开通的时候 然后呢如果是它这个时候有个很大区别 区别就是说 LC 的滤波器呢 它是在不仅是在输入端 同时呢它也会在输出端会有一个 LC 滤波器 所以说我们可以看到就是说这个 Cuk电路 它的输入端和输出端都有一个 LC 的滤波器 也就说输入端跟输出端的纹波电流都会非常小 那么这个就是对于我们滤波器的输入端 输出端的设计会比较好设计 但是呢就是说我们可以看到 就是说这它因为有两个 就是说输入端输出端都有两个 LC 的滤波器呢 就是说会带来一个双重的一个双极点 那么这样子对于我们整个系统的一个性能 影响就会比较明显 就是它会压制整个环路的一个动态响应的过程 就会导致我们环路的那个响应的特性做不高 那么如果我们在这种情况下 也是要用一个耦合的电感 来替代那个分裂电感的话 1:1也依然是必须要采用这个原则 因为我们要保证 它的那个电感上的一个伏秒平衡的一个原则 同时呢要实现这个控制方式 我们可以用一个简单的一个 Boost 控制器 然后呢这个 Boost 控制器 只用一个单路的一个驱动器就可以 然后就可以实现我们这个 Cuk 电路的一个控制方式 那么相对于那个 我们这种非隔离的一个反激的电路来讲 它也是特点是一样的 就是说 它在它的开关节点上会有一个钳位的电容 把那个开关节点的那个 Vds 上那个振铃给钳位住 所以说这个时候的 EMI 也是比较好的 同样的话它跟反激电路也是很相像 它也可以有多路的一个绕组输出 来实行一个多组电压的输出 那么因为输出电压跟输入电压 是一个反向的一个关系 所以说为了实现一个电压的一个正向的一个采集 我们这个时候需要有一个运放加在输出端 然后把那个负电压转化为一个正电压 那么这里是它一个 Cuk 电路的一个电路图 跟我们的 Sepic 电路在输入端这里其实是类似的 比如说当 Q1 开通的时候 我们这里的充电回路是一样的 就是通过输入输入向 L1、Q1 进行一个充电的回路 那么但是呢有个区别是在于 它的副边的输出端的时候 那个 D1 跟 L2 的位置会发生了一个调换 所以说在我们主管导通的时候呢 我们这个 C1 上的电压 C1 上电压呢 还会通过 Q1 然后经过输出端这里 来对 L2 进行一个一个放电的一个过程 那么在这个时候呢 我们在 C1 上的一个电压 就不再是我们在 Sepic 电路的一个电压 因为在 Sepic 电路它这个电压是等于输入电压 那么在我们这里的电压呢 我们 C1 上的电压 就等于输入电压加上输出电压 那么我们可以看到 如果在 Q1导通这个时间阶段里面呢 如果 C1 上的电压是等于输入电压加上输出电压 那么在这个时候呢 输出电压是下面为正上面为负 所以说这个时候加到 L2 上的电压 依然会是等于一个输入的电压 那么同样的加到 L1 上的电压 也是等于一个输入的一个电压 那么当主管 Q1 关断了之后呢 我们进入了一个续流的阶段 续流阶段也就是说当 Q1 关断之后 这个回路也就被切断了 那么电感电流 L1 要保持一个从左向右的一个流动方向 那么这个时候呢我们 它们那个电流就是说从输入通过 L1 然后充电给 C1 充电 然后呢通过 D1 流回输入端 这是第一个的一个对 L1 来说它的一个续流的一个回路 那么这个时候呢对于 L2 上的一个电流 那么我们知道就是说在充电回路的时候 它的电流是有一个由右往左的一个流动方向 那么在这个时候呢 它依然要保持一个由右往左的一个流动方向 那么就是说我们可以看到这个电流呢 它会通过 D1 向输出流动 然后最终呢又流回 L2 上 那么这就是第二个的一个充电回路 一个 L2 的一个续流回路 那么在这续流的时候 我们看到 L1 上的电压它会等于 我们看到 L1 上的电压它会等于 一个 C1 上的电压减去一个输入的电压 也就是说它这个时候会等于输出的一个电压 那么同样呢在 L2 上的电压 它也会等于输出的一个电压 所以说在这个时候我们要保证 L1 跟 L2 它们之间的匝比必须要1:1的一致 因为它们在开关关断的时候 加它上面那个电压值都是一样的 那我们看到这个 是我们这个 Cuk 电路的一个典型的一个波形电路图 这里是 L1 电感电流的一个波形 我们可以看到就是说当主管 Q1 开通的时候 这里对应于电感电流呢 它是会以一个一定的斜率上升 这个时候就是一个输入电压 通过我们的主管接到 然后接到地 给我们的 L1 作一个充电的一个过程 那么这时候电流会上升 那么当 Q1 关断之后呢 就是在这个阶段进入了一个续流的阶段 那么续流阶段的话 Q1 上不会再有电流 但是呢 L1 上的一个电感电流 依然要保持是一个续流的过程 那么它电流方向是一致 但是电流的值会逐渐的成一个斜率的往下降 那么这个时候呢它斜率 往下降的一个斜率就取决于 这个时候加在电感上的那个电压的一个值 从我们之前那个电路图分析来看 就是说这个时候呢 加在电感上的一个电压值呢 就是我们的一个输出的一个电压值 那么同样的对于电感 L2 它跟L1呢 它是一个类似的一个过程 那么它在那个主管开通的时候呢 也是会处于一个充电的过程 但是呢这个时候它是由我们的 C1 也就是说这时候 C1 它对我们的 L2 进行一个充电 那么 C1 呢 它自己来说 就说它是放电的一个过程 所以说它电流会是一种负的 但是呢 L2 的电流是一个正的上升过程 所以说一旦呢我们进入了一个续流的过程 也就是 Q1 关断之后 L2 呢同时也进入一个续流过程 那么在这个时候呢我们可以看到 那么在这个时候呢我们可以看到 C1上它这里这个电流它实际上就是说 它会由输入端经过 L1 然后再经过 C1 最终流回一个输入端 然后呢我们可以看到就是 C1 上这个电流就是等于我们 L1上 这一段的一个续流的一个电流 那么对于 D1 的话 D1的一个续流电流 就是说 它只是因为我们这个电路结构里面它是在 那个 D1 的电流 它是跟我们 Sepic 电路相反 就是说它跟我们的 L2 是一个互换的一个位置 所以说 D1 的电流它只是代表了 一个 L2 这个时候在续流阶段的一个续流电流 所以说它这一块就说 跟 L2 的这个续流电流应该是一致的