Инженерное чтиво: топология SEPIC для ответственных приложений
08.05.2019270

Вниманию разработчиков статья Виктора Хасиева, ведущего инженера по применению ИМС управления питанием компании Analog Devices. В статье рассматривается довольно редкая топология синхронного преобразователя SEPIC.

Виктор Хасиев, ведущий инженер по применению ИМС управления питанием компании <strong>Analog DevicesПредваряя статью, следует отметить, что у отечественных разработчиков систем питания будет возможность лично встретиться и пообщаться с автором статьи 5 июня этого года в Харькове, во время семинара по системе моделирования LTspice® XVII, организованного украинской фирмой VD MAIS и американской компанией Analog Devices. Однодневный семинар проведет Майк Энгельхардт (Mike Engelhardt), автор симулятора LTspice®, директор отдела разработки систем моделирования компании Analog Devices. Виктор Хасиев (Victor Khasiev), ведущий инженер по применению ИМС управления питанием компании Analog Devices, поможет гуру в проведении семинара, в частности, с профессиональным переводом технических нюансов с английского языка, а также примет участие во встречах с разработчиками украинских предприятий.

Высокоэффективный преобразователь SEPIC для автомобильных и промышленных приложений

(оригинал High Efficiency Synchronous SEPIC for Automotive and Industrial Installations опубликован 17.01.2019 на analog.com в качестве Design Note 578)

Вступление

Контроллер DC/DC-преобразователя серии LT8711 поддерживает понижающую, повышающую, SEPIC, ZETA и асинхронную понижающе-повышающую топологии. Компания Analog Devices выпускает множество микросхем синхронных понижающих и повышающих преобразователей и регуляторов, но синхронная топология SEPIC встречается довольно редко. Тем не менее, топология SEPIC (single-ended primary-inductor converter – преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью) востребована, поскольку она поддерживает стабильный уровень выходного напряжения, даже при значительном отклонении входного напряжения ниже или выше этого уровня. Эта особенность топологии может быть незаменима в автомобильной электронике, особенно при холодном пуске и сбросе нагрузки, а также в промышленных приложениях, характеризующихся протяженными питающими линиями и тяжелой помеховой обстановкой. С помощью топологии можно также повысить надежность нефтяного и газового оборудования, используя преобразователи SEPIC для питания критических нагрузок от нескольких различных источников. При выходе из строя одного источника питания преобразователь SEPIC может поддерживать нагрузку, используя другой, даже если его выходное напряжение имеет иной уровень.

Описание и принцип работы схемы

На Рисунке 1 показана схема синхронного преобразователя SEPIC, управляющего передачей энергии, который состоит из:

  • Двух несвязанных дросселей L1 и L2;
  • N-канального переключающего MOSFET MN1, управляемого выводом BG;
  • Двух синхронных P-канальных MOSFET MP1 и MP2, управляемых выводом TG;
  • Развязывающих конденсаторов C1, C2 и C3;
  • Входных и выходных фильтров.

Электрическая схема LT8711 для SEPIC и понижающих приложений
Рисунок 1. Электрическая схема LT8711 для SEPIC и понижающих приложений.

На Рисунке 2 изображена зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки при входном напряжении 14 В. Синхронная схема обеспечивает высокий КПД, достигающий в пике 93.4%. Рисунки 3 и 4 позволяют оценить высокое качество стабилизации выхода при провалах и бросках входного напряжения.

Зависимость КПД от тока нагрузки преобразователя SEPIC на основе микросхемы LT8711
Рисунок 2. Зависимость КПД от тока нагрузки преобразователя SEPIC на основе микросхемы LT8711.

За основу была взята стандартная демонстрационная схема DC2493A, переработанная для увеличения выходного тока с 4 А до 6 А. MOSFET MN1 и MP1, а также дроссель L2 были заменены компонентами, показанными на Рисунке 1.

Моделирование ситуации холодного запуска. Напряжение шины VIN проседает от 15 В до 6 В, однако напряжение VOUT остается стабильным и равным 12 В.
Рисунок 3. Моделирование ситуации холодного запуска. Напряжение шины VIN проседает от 15 В до 6 В, однако напряжение VOUT остается стабильным и равным 12 В

Моделирование сброса нагрузки. Напряжение шины VIN увеличивается от 10 В до 20 В, но стабилизация VOUT не нарушается
Рисунок 4. Моделирование сброса нагрузки. Напряжение шины VIN увеличивается от 10 В до 20 В, но стабилизация VOUT не нарушается.

Эта модифицированная схема использовалась для оценки характеристик конструкции. На Рисунке 5 показана тепловая карта ее платы. LTspice-модель для аналогичного решения доступна на сайте analog.com. Подробные рекомендации по выбору компонентов для силовой цепи SEPIC можно найти в спецификации LT8711.

Схема расположения компонентов и тепловая карта демонстрационной платы DC2493A (VIN = 14 В, VOUT = 12 В/6 А). Самым горячим компонентом с температурой 77 °C является транзистор MN1.

Схема расположения компонентов и тепловая карта демонстрационной платы DC2493A (VIN=14 В, VOUT=12 В/6 А). Самым горячим компонентом с температурой 77 °C является транзистор MN1
Рисунок 5. Схема расположения компонентов и тепловая карта демонстрационной платы DC2493A (VIN = 14 В, VOUT = 12 В/6 А). Самым горячим компонентом с температурой 77 °C является транзистор MN1.

Для понимания функционирования этой топологии ниже приведены основные выражения для пиковых значений напряжений и токов:

IL1 = IIN + ΔIL1

IL2 = IOUT + ΔIL2

VBG = VTG = VIN + VOUT

ITG = IBG = IIN + IOUT + ΔI/2

Заключение

LT8711 – это универсальный и гибкий контроллер, предназначенный для использования в понижающих, повышающих, SEPIC, ZETA и асинхронных понижающе-повышающих преобразователях. В частности, синхронный преобразователь SEPIC может использоваться для эффективного преобразования входных напряжений, которые могут быть выше и ниже требуемого выходного напряжения, что особенно важно для автомобильных и промышленных приложений.

 


vd-mais-professional-distributorЗа консультациями по поставкам новейших компонентов и систем обращайтесь в отдел электронных компонентов научно-производственной фирмы VD MAIS – официального дистрибьютора продукции Analog Devices и профессионального поставщика инновационных решений для высокотехнологичных отраслей промышленности Украины.

Читать в оригинале

Спецификации

LTspice-модели

Семинары