中心議題：

• 電路運行
• 伏-微秒平衡
• 實例設計

單端初級電感轉換器 (SEPIC) 能夠通過一個大於或者小於調節輸出電壓的輸入電壓工作。除能夠起到一個降壓及升壓轉換器的作用以外，SEPIC 還具有最少的有源組件、一個簡易控製器和鉗位開關波形，從而提供低噪聲運行。看是否使用兩個磁繞組，是我們識別 SEPIC 的(de)一(yi)般(ban)方(fang)法(fa)。這(zhe)些(xie)繞(rao)組(zu)可(ke)繞(rao)於(yu)共(gong)用(yong)鐵(tie)芯(xin)上(shang)，其(qi)與(yu)耦(ou)合(he)雙(shuang)繞(rao)組(zu)電(dian)感(gan)的(de)情(qing)況(kuang)一(yi)樣(yang)，或(huo)者(zhe)它(ta)們(men)也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)兩(liang)個(ge)非(fei)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)的(de)單(dan)獨(du)繞(rao)組(zu)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)通(tong)常(chang)不(bu)確(que)定(ding)哪(na)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)最(zui)佳(jia)，以(yi)及(ji)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)之(zhi)間(jian)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)實(shi)際(ji)差(cha)異(yi)。本(ben)文(wen)對(dui)每(mei)種(zhong)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)，並(bing)討(tao)論(lun)每(mei)種(zhong)方(fang)法(fa)對(dui)實(shi)際(ji) SEPIC 設計產生的影響。

電路運行

耦合電感的基本 SEPIC。當FET (Q1) 開啟時
，輸入電壓施加於初級繞組。由於繞組比為 1：1，因此次級繞組也被施加了一個與輸入電壓相等的電壓
；但是，由於繞組的極性，整流器 (D1) 的陽極被拉負，並被反向偏置。整流器偏頗關閉，要求輸出電容在這種“導通”時間期間支持負載，從而強迫 AC電容 (CAC) 充電至輸入電壓。Q1 開啟時，兩個繞組的電流為 Q1 到接地，而次級電流流經 AC 電容。“導通”時間期間總 FET 電流為輸入電流和輸出次級電流的和。

FET 關(guan)閉(bi)時(shi)，繞(rao)組(zu)的(de)電(dian)壓(ya)反(fan)向(xiang)極(ji)性(xing)，以(yi)維(wei)持(chi)電(dian)流(liu)。整(zheng)流(liu)器(qi)導(dao)電(dian)向(xiang)輸(shu)出(chu)端(duan)提(ti)供(gong)電(dian)流(liu)時(shi)，次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)電(dian)壓(ya)現(xian)在(zai)被(bei)鉗(qian)位(wei)至(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。通(tong)過(guo)變(bian)壓(ya)器(qi)作(zuo)用(yong)
，它(ta)對(dui)初(chu)級(ji)繞(rao)組(zu)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)鉗(qian)位(wei)。FET 的漏極電壓被鉗位至輸入電壓加輸出電壓。FET“關閉”時間期間，兩個繞組的電流流經 D1 至輸出端，而初級電流則流經 AC 電容。

伏-微秒平衡

耦合電感由兩個非耦合電感代替時，電路運行情況類似。要讓電路正確運行，必須在每個磁芯之間維持伏-微秒平衡。也就是說，對於兩個非耦合電感而言
，在FET“導通”和“關閉”時間期間
，每個電感電壓和時間的積必須大小相等，而極性相反。通過代數方法表明，非耦合電感的 AC 電容電壓也被充電至輸入電壓。在 FET“關閉”時間期間，輸出端電感被鉗位至輸出電壓
，其與耦合電感的次級繞組一樣。在 FET“導通”時間期間，AC 電容在電感施加一個與輸入電壓相等但極性相反的電勢。每間隔時間
，對電感定義電壓進行鉗位，這樣伏-微秒平衡便決定了占空比 (D) 的大小。其在連續導通模式 (CCM) 運行時，可簡單表示為：

FET 導通時，施加於輸入端電感的電壓等於輸入電壓。FET關閉時，伏-微秒平衡通過鉗位其 VOUT 來維持。記住
，FET 導通時

，輸入電壓施加於兩個電感；FET 關閉時，輸出電壓施加於兩個電感。兩個非耦合電感 SEPIC 的電壓和電流波形，與耦合電感版本的情況非常類似

，以至於很難分辨它們。

兩個還是一個
？

如果 SEPIC 類型之間確實存在少許的電路運行差異的話
，那麼我們應該使用哪一種呢
？我們通常選擇使用耦合電感，是因其更少的組件數目、gengjiadejichengduyijixiangduiyushiyonglianggedandianganeryangengdidedianganyaoqiu。raner，gaogonglvxianhuoouhedianganyouxiandexuanzefanwei
，chengweibaizaiguangdadianyuanshejirenyuanmianqiandeyigenanti。ruguotamenxuanzeshejiqizijidediangan
，zebixuguidingsuoyouxiangguandiancanshu，bingqiebixumianduigengchangdejiaohuoshijianwenti。ouhediangan SEPIC 可受益於漏電感，其可降低 AC 電流損耗。耦合電感必須具有 1：1 的匝數比，以實施伏-微(wei)秒(miao)平(ping)衡(heng)。選(xuan)擇(ze)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)單(dan)獨(du)的(de)非(fei)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)，一(yi)般(ban)可(ke)以(yi)更(geng)廣(guang)泛(fan)地(di)選(xuan)擇(ze)許(xu)多(duo)現(xian)貨(huo)組(zu)件(jian)。由(you)於(yu)並(bing)不(bu)要(yao)求(qiu)每(mei)個(ge)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)感(gan)完(wan)全(quan)相(xiang)等(deng)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)組(zu)件(jian)尺(chi)寸(cun)，從(cong)而(er)帶(dai)來(lai)更(geng)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。

方程式 1 到 3 表明了耦合電感和非耦合電感的電感計算過程。


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方程式計算得到最大輸入電壓和最小負載時 CCM 運行所需的最小電感。50% 占空比運行（VIN 等於 VOUT 時出現）和統一效率條件下，比較這些方程式可知，方程式 1 zhongouhediangandejisuanzhishifeiouhedianganjisuanzhideliangbei。youyuzhuanhuanqikendinghuiyousunhao
，erdaduoshushurudianyayuanjunyouhendabutong，yincizhezhongjianhualededianganfanhuayibanweicuowude；但它通常足以應付除極端情況以外的所有情況。它一般意味著，轉換器會比預期稍快一點進入非連續導通模式 (DCM) 運yun行xing，其qi在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia仍reng然ran可ke以yi接jie受shou。如ru前qian所suo述shu，使shi用yong非fei耦ou合he電dian感gan時shi，正zheng如ru我wo們men通tong常chang假jia設she的de那na樣yang，無wu需xu輸shu出chu端duan電dian感gan的de值zhi與yu輸shu入ru端duan電dian感gan一yi樣yang；但是為了簡單起見肯定會這樣做。利用 VOUT/VIN 調節輸入端電感，便可確定輸出端電感值。使用更小值輸出端電感的好處是，它一般尺寸更小而且成本更低。

實例設計

“表 1”所示規範為設計比較的基礎。第一個設計使用一個耦合電感，而第二個則使用兩個非耦合電感。

使用一個耦合電感的設計是典型的 64W 輸出功率車載輸入電壓範圍。方程式1表明

，耦合電感要求 12 µH 的電感，以及 13 A 的組合電流額定值（基於 IIN + IOUT）。這種設計特別具有挑戰性，因為現貨電感選擇範圍有限。因此
，我們指定並設計了 Renco 自定義電感。該電感纏繞在一個分離式線軸上以產生漏電感，旨在最小化能夠引起損耗的循環 AC 電流。產生這些損耗的因為，施加在漏電感的 AC 電容紋波電壓。若想實施低功耗設計
，Coilcraft（MSS1278 係列）和Coiltronics（DRQ74/127 係列）的耦合電感均是較好的現貨產品。

就非耦合電感設計而言
，33-µH Coilcraft SER2918用於L1，而22-µH Coiltronics HC9 則用於 L2。它們的選擇均基於繞組電阻、額定電流和尺寸。選擇電感時


，設計人員必須注意還要考慮鐵芯和 AC 繞組損耗。這些損耗可降低電感的有效DC電流
，但並非所有廠商都提供計算所需的全部信息。錯誤的計算結果，會大大增加鐵芯溫度，使其超出典型的 40°C 溫升。它還會降低效率
，並且加速過早失效現象的出現。

表 1 原型 SEPIC 電氣規範
參數     規範
輸入電壓     8到32V
輸出電壓     16V
最大輸出電流     4A
紋波     1%
最小功率（最大負載）     91%

圖 2 顯示了使用一個耦合電感的原型 SEPIC的 示意圖。若想在設計中實施非耦合電感
，隻需在相同 PWB 上用兩個電感替換耦合電感便可。圖 3 顯示了兩種原型電路。圖 3b 中
，L1 占用了耦合電感的空間，而 L2 則位於右上角。

正zheng如ru預yu計ji的de那na樣yang
，兩liang個ge電dian路lu以yi一yi種zhong近jin乎hu完wan全quan一yi樣yang的de方fang式shi工gong作zuo，且qie開kai關guan電dian壓ya和he電dian流liu波bo形xing實shi質zhi相xiang同tong。但dan在zai性xing能neng方fang麵mian存cun在zai一yi些xie重zhong要yao的de差cha異yi。耦ou合he電dian感gan設she計ji的de控kong製zhi環huan路lu相xiang當dang良liang性xing，而er非fei耦ou合he電dian感gan設she計ji則ze在zai最zui初chu時shi候hou出chu現xian不bu穩wen定ding。環huan路lu增zeng益yi測ce量liang表biao明ming，高gao Q、低頻諧振是罪魁禍首，其要求添加一個 R/C 阻尼濾波器與 AC 電容並聯。極大簡化時，諧振頻率似乎約為：[page]

SEPIC 電路具有非常複雜的控製環路特性，同時由於分析結果的解釋一般較為困難，因此必需使用一些數學工具來進行具體分析。添加這種 R/C 阻尼濾波器（220 µF/2Ω）會增加成本、電路麵積和損耗。相比一個單耦合電感，使用兩個非耦合電感會使麵積增加 10%。

圖 4 顯示了兩種電路的測量效率。我們可以看到，耦合電感設計的效率增加多達 0.5%。這可能是由於耦合電感設計的總鐵芯損耗更低
，因為其 DC 接線損耗實際高於使用非耦合電感的設計。L2 使用一種粉狀鐵芯材料

，其往往具有比L1 和自定義 Renco 耦合電感所用鐵氧體材料更高的損耗。盡管使用了 L2 的鐵氧體材料

，但其會導致更大的麵積。
結論

利用一個耦合電感或者兩個非耦合電感，均能成功實施SEPIC。更高的效率

、更(geng)小(xiao)的(de)電(dian)路(lu)麵(mian)積(ji)以(yi)及(ji)更(geng)良(liang)性(xing)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)特(te)性(xing)
，這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)使(shi)用(yong)正(zheng)確(que)纏(chan)繞(rao)的(de)自(zi)定(ding)義(yi)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)時(shi)原(yuan)型(xing)硬(ying)件(jian)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)好(hao)處(chu)。自(zi)定(ding)義(yi)組(zu)件(jian)沒(mei)有(you)現(xian)貨(huo)器(qi)件(jian)那(na)麼(me)理(li)想(xiang)
，而(er)許(xu)多(duo)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)隨(sui)處(chu)可(ke)以(yi)購(gou)買(mai)到(dao)，且(qie)尺(chi)寸(cun)更(geng)小(xiao)。如(ru)果(guo)產(chan)品(pin)上(shang)市(shi)場(chang)時(shi)間(jian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)
，則(ze)非(fei)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)可(ke)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)更(geng)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。