耦合電感在DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用上的技巧-

1、耦合電感在DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用上的技巧引言最近,電感廠商紛紛開始發(fā)布批量生產(chǎn)的耦合電感。耦合電感由兩個纏繞在同一磁芯上的單獨電感組成,其封裝與單電感在長寬尺寸上相似,只會稍微高一點,但可以產(chǎn)生相同的電感值。耦合電感的價格一般也會比兩個單電感的價格低。耦合電感的繞組可以為串聯(lián)、并聯(lián),也可以作為一個變壓器。本文重點介紹利用耦合電感滿足常見應(yīng)用需求的四種DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。徹底了解耦合電感的各種規(guī)范,是充分利用它們所具有優(yōu)勢的一個基本要求。大多數(shù)耦合電感都具有相同的匝數(shù)即1:匝數(shù)比但有些更新的耦合電感擁有更高的匝數(shù)比。耦合電感的耦合系數(shù)K一般約為0.95,遠(yuǎn)低于自定義變壓器至少為0.99的系數(shù)

2、。耦合電感的互感系數(shù)讓其在一些回描應(yīng)用中顯得有些沒有效率,同時還會引起非理想(例如:圓形而非三角形電感波形。另外,根據(jù)其繞組實際為串聯(lián)還是并聯(lián),耦合電感的電流規(guī)格也不同。例如,繞組為串聯(lián)時,等效電感就會因為互感而超過額定電感的2倍。飽和及RMS 電流額定值一定適用于同時流過兩個繞組的電流,除非產(chǎn)品說明書中另有說明。理解這些規(guī)范以后,我們便可以對現(xiàn)實應(yīng)用中的一些耦合電感例子進(jìn)行研究。更小尺寸且更高效的SEPIC盡管DC/DC單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC拓?fù)洳皇鞘裁葱聳|西,但的確直到最近它才開始流行起來,然而,對于能夠?qū)Ω叩洼斎腚妷褐g的輸出電壓(例如:12V未校準(zhǔn)插墻式電源進(jìn)行調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器需求

3、一直都存在。雖然我們可以將任何升壓轉(zhuǎn)換器/控制器配置為一個 SEPIC,但其在最近才得到普遍的使用。兩個因素促進(jìn)了 SEPIC的人氣大增:(1 IC制造廠商已經(jīng)開始制造更多具有電流模式控制功能的升壓控制器,旨在簡化補(bǔ)償;(2電感制造廠商已經(jīng)開始制造許多可以最小化轉(zhuǎn)換器總 PCB體積的單封裝耦合電感。改用耦合電感以后,許多具有兩個單獨電感應(yīng)用的電源體積可以縮減三分之一。圖1顯示了使用TI TPS61170和Wuerth 744877220的一個SEPIC。圖1 使用TI TPS61170和Wuerth 744877220的SEPIC更吸引人的是,使用一個1:1耦合電感的SEPIC可迫使電感紋波電

4、流在兩個繞組之間分開,從而允許使用兩個單獨電感要求電感的一半,產(chǎn)生相同的紋波電流。相對于相同尺寸封裝中雙倍電感值的兩個單獨電感,耦合電感具有更低的DC電阻,有助于提高總轉(zhuǎn)換器效率。特別是15-V輸入和12-V、325-mA輸出時,圖1所示SEPIC的效率超出91%。更小尺寸的ZETA轉(zhuǎn)換器由于使用了兩個電感和一個耦合電容,ZETA轉(zhuǎn)換器擁有與SEPIC一樣的升壓降壓功能,但使用的是一個降壓控制器而非升壓控制器。圖2顯示了ZETA結(jié)構(gòu)中所使用的TI TPS40200和Coiltronics DRQ74。與SEPIC一樣,得益于分離電感紋波電流,這種ZETA轉(zhuǎn)換器只要求一半的電感就能得到相同的紋波

5、電流。同樣類似的,其總體電源體積比使用兩個單獨電感小三分之一。由于輸出電感電流不斷經(jīng)過ZETA轉(zhuǎn)換器輸出,ZETA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓具有比相同電感的SEPIC更低的紋波。因此,相比SEPIC,ZETA可能更適合于低噪聲應(yīng)用。圖2 使用TI TPS40200和Coiltronics DRQ74的ZETA轉(zhuǎn)換器引言最近,電感廠商紛紛開始發(fā)布批量生產(chǎn)的耦合電感。耦合電感由兩個纏繞在同一磁芯上的單獨電感組成,其封裝與單電感在長寬尺寸上相似,只會稍微高一點,但可以產(chǎn)生相同的電感值。耦合電感的價格一般也會比兩個單電感的價格低。耦合電感的繞組可以為串聯(lián)、并聯(lián),也可以作為一個變壓器。本文重點介紹利用耦合電感滿足

6、常見應(yīng)用需求的四種DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。徹底了解耦合電感的各種規(guī)范,是充分利用它們所具有優(yōu)勢的一個基本要求。大多數(shù)耦合電感都具有相同的匝數(shù)即1:匝數(shù)比但有些更新的耦合電感擁有更高的匝數(shù)比。耦合電感的耦合系數(shù)K一般約為0.95,遠(yuǎn)低于自定義變壓器至少為0.99的系數(shù)。耦合電感的互感系數(shù)讓其在一些回描應(yīng)用中顯得有些沒有效率,同時還會引起非理想(例如:圓形而非三角形電感波形。另外,根據(jù)其繞組實際為串聯(lián)還是并聯(lián),耦合電感的電流規(guī)格也不同。例如,繞組為串聯(lián)時,等效電感就會因為互感而超過額定電感的2倍。飽和及RMS 電流額定值一定適用于同時流過兩個繞組的電流,除非產(chǎn)品說明書中另有說明。理解這些規(guī)范以后

7、,我們便可以對現(xiàn)實應(yīng)用中的一些耦合電感例子進(jìn)行研究。更小尺寸且更高效的SEPIC盡管DC/DC單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC拓?fù)洳皇鞘裁葱聳|西,但的確直到最近它才開始流行起來,然而,對于能夠?qū)Ω叩洼斎腚妷褐g的輸出電壓(例如:12V未校準(zhǔn)插墻式電源進(jìn)行調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器需求一直都存在。雖然我們可以將任何升壓轉(zhuǎn)換器/控制器配置為一個 SEPIC,但其在最近才得到普遍的使用。兩個因素促進(jìn)了 SEPIC的人氣大增:(1 IC制造廠商已經(jīng)開始制造更多具有電流模式控制功能的升壓控制器,旨在簡化補(bǔ)償;(2電感制造廠商已經(jīng)開始制造許多可以最小化轉(zhuǎn)換器總 PCB體積的單封裝耦合電感。改用耦合電感以后,許多具有兩個單

8、獨電感應(yīng)用的電源體積可以縮減三分之一。圖1顯示了使用TI TPS61170和Wuerth 744877220的一個SEPIC。圖1 使用TI TPS61170和Wuerth 744877220的SEPIC更吸引人的是,使用一個1:1耦合電感的SEPIC可迫使電感紋波電流在兩個繞組之間分開,從而允許使用兩個單獨電感要求電感的一半,產(chǎn)生相同的紋波電流。相對于相同尺寸封裝中雙倍電感值的兩個單獨電感,耦合電感具有更低的DC電阻,有助于提高總轉(zhuǎn)換器效率。特別是15-V輸入和12-V、325-mA輸出時,圖1所示SEPIC的效率超出91%。更小尺寸的ZETA轉(zhuǎn)換器由于使用了兩個電感和一個耦合電容,ZETA

9、轉(zhuǎn)換器擁有與SEPIC一樣的升壓降壓功能,但使用的是一個降壓控制器而非升壓控制器。圖2顯示了ZETA結(jié)構(gòu)中所使用的TI TPS40200和Coiltronics DRQ74。與SEPIC一樣,得益于分離電感紋波電流,這種ZETA轉(zhuǎn)換器只要求一半的電感就能得到相同的紋波電流。同樣類似的,其總體電源體積比使用兩個單獨電感小三分之一。由于輸出電感電流不斷經(jīng)過ZETA轉(zhuǎn)換器輸出,ZETA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓具有比相同電感的SEPIC更低的紋波。因此,相比SEPIC,ZETA可能更適合于低噪聲應(yīng)用。圖2 使用TI TPS40200和Coiltronics DRQ74的ZETA轉(zhuǎn)換器分離軌電源匹配正負(fù)電源軌是

10、許多工業(yè)應(yīng)用的常見要求,對放大器而言更是如此。我們可以對寬輸入范圍降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置,以提供負(fù)輸出電壓。使用一個耦合電感代替這種反相降壓轉(zhuǎn)換器的電感,并增加一個二極管和電容器,便可將這種反相降壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)橐粋€雙輸出的轉(zhuǎn)換器。圖3顯示了以這種方法使用的TI TPS54160和Coilcraft 150-H MSD1260。只要每個軌的負(fù)載稍有接近,我們就對每個軌之間的差異進(jìn)行調(diào)節(jié)而非單獨調(diào)節(jié)每個軌,但耦合電感卻可以幫助提供對每個軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3 使用TI TPS54160和Coilcraft MSD1260的分離軌降壓轉(zhuǎn)換器更高的輸出電壓集成FET的DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓受限于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流額定值。將一個1:1以上匝比的耦合電感連接至轉(zhuǎn)換器的開關(guān)(SW引腳,可以擴(kuò)展所有升壓轉(zhuǎn)換器的有效輸出電壓范圍。例如,圖4顯示了30-V絕對最大電流額定值的TI TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器,其作用是提供35V或更高的電壓,同時還顯示了一個1:2耦合電感Coilcraft LPR4012-103B。耦合電感結(jié)構(gòu)多繞組端與二極管