基于 ZETA 拓撲結構的 DC/DC 轉換器設計

引言

同 SEPIC DC/DC 轉換器拓撲結構類(lèi)似，ZETA 轉換器拓撲通過(guò)一個(gè)在輸出電壓上下范圍變化的輸入電壓提供正輸出電壓。ZETA 轉換器也需要兩個(gè)電感和一個(gè)串聯(lián)電容器（有時(shí)稱(chēng)飛跨電容）。SEPIC 轉換器使用一個(gè)標準升壓轉換器進(jìn)行配置，ZETA 轉換器則不同，它通過(guò)一個(gè)驅動(dòng)高端 PMOS FET 的降壓轉換器進(jìn)行配置。ZETA 轉換器是對不穩定輸入電源進(jìn)行調節的另一種方法，它就像一個(gè)低成本墻式電源。我們可以使用一個(gè)耦合電感來(lái)最小化電路板空間。本文將介紹如何設計一個(gè)運行在連續導電模式 (CCM) 下帶耦合電感的 ZETA 轉換器。

基本工作原理

圖 1 顯示了 ZETA 轉換器的簡(jiǎn)單電路圖，其由一個(gè)輸入電容 CIN、一個(gè)輸出電容 COUT、耦合電感 L1a 和 L1b、一個(gè) AC 耦合電容 CC、一個(gè)功率 PMOS FET 即 Q1，以及一個(gè)二極管 D1 組成。圖 2 顯示了 Q1 為開(kāi)啟狀態(tài)和 Q1 為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在 CCM 下運行的轉換器。

圖 1 ZETA 轉換器的簡(jiǎn)單電路圖

若想要知道各個(gè)電路節點(diǎn)的電壓，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)都為關(guān)閉狀態(tài)且無(wú)開(kāi)關(guān)操作時(shí)對 DC 條件下的電路進(jìn)行分析很重要。電容 CC 與 COUT 并聯(lián)，因此在穩態(tài) CCM 期間 CC 被充電至輸出電壓 VOUT。圖 2 顯示了 CCM 運行期間 L1a 和 L1b 的電壓。

圖 2 CCM 運行期間的 ZETA 轉換器

Q1 關(guān)閉時(shí)，L1b 的電壓必須為 VOUT，因為其與 COUT 并聯(lián)。由于 COUT 被充電至 VOUT，因此 Q1 關(guān)閉時(shí) Q1 的電壓為 VIN + VOUT；這樣一來(lái)， L1a 的電壓便為相對于 Q1 漏極的 –VOUT。Q1 開(kāi)啟時(shí)，充電至 VOUT 的電容 CC 與 L1b 串聯(lián)；因此 L1b 的電壓為 +VIN，而二極管 D1 的電壓則為 VIN + VOUT。

圖 3 顯示了通過(guò)各種電路組件的電流。Q1 開(kāi)啟時(shí)，輸入電源的能量被存儲在L1a、L1b 和 CC 中。L1b 還提供 IOUT。Q1 關(guān)閉時(shí)，CC 持續為 L1a 提供電流，而 L1b 再次提供 IOUT。

圖 3 CCM 期間 ZETA 轉換器的分量電流