TI方案UCC28810應用PFC反激用切實可行的螺紋旋入式LED來替代白熾燈泡可能還需要數年的時間，而在建筑照明中LED的使用正在不斷增長，其具有更高的可靠性和節能潛力。同大多數電子產品一樣，其需要一款電源來將輸入功率轉換為LED可用的形式。在路燈應用中，一種可行的配置是創建300V/0.35安培負載的80個串聯的LED。在選擇電源拓撲結構時，需要制定隔離和功率因數校正（PFC）相關要求。隔離需要大量的安全權衡研究，其中包括提供電擊保護需求和復雜化電源設計之間的對比權衡。在這種應用中，LED上存在高壓，一般認為隔離是非必需的，而PFC才是必需的，因為在歐洲25瓦以上的照明均要求具有PFC功能，而這款產品正是針對歐洲市場推出的。就這種應用而言，有三種可選電源拓撲：降壓拓撲、轉移模式反向拓撲和轉移模式（TM）單端初級電感轉換器（SEPIC）拓撲。當LED電壓大約為80伏特時，降壓拓撲可以非常有效地被用于滿足諧波電流要求。在這種情況下，更高的負載電壓將無法再繼續使用降壓拓撲。那么，此時較為折中的方法就是使用反向拓撲和SEPIC拓撲。SEPIC具有的優點是，其可鉗制功率半導體器件的開關波形，允許使用較低的電壓，從而使器件更為高效。在該應用中，可以獲得大約2%的效率提高。另外，SEPIC中的振鈴更少，從而使EMI濾波更容易。圖1顯示了這種電源的原理圖。460460圖1：轉移模式SEPIC發揮了簡單LED驅動器的作用。該電路使用了一個升壓TMPFC控制器來控制輸入電流波形。該電路以離線為C6充電作為開始。一旦開始工作，控制器的電源就由一個SEPIC電感上的輔助繞組來提供。一個相對較大的輸出電容將LED紋波電流限定在DC電流的20%。

補充說明一下，TMSEPIC中的AC電通量和電流非常高，需要漆包絞線和低損耗內層芯板來降低電感損耗。圖2和圖3顯示了與圖1中原理圖相匹配的原型電路的實驗結果。與歐洲線路范圍相比，其效率非常之高，最高可達92%。這一高效率是通過限制功率器件上的振鈴實現的。另外，正如我們從電流波形中看到的一樣，在96%效率以上時功率因數非常好。有趣的是，該波形并非純粹的正弦曲線，而是在上升沿和下降沿呈現出一些斜度，這是電路沒有測量輸入電流而只對開關電流進行測量的緣故。但是，該波形還是足以通過歐洲諧波電流要求的。#%騙%鄒%曙譬SX_-221O5@WMIlf普#%騙%鄒%曙譬SX_-221O5@WMIlf普UJ87*86%J7SInputVotl-agi!|Vrin5->—i—3<iQVLe&$lning87*86%J7SInputVotl-agi!|Vrin5->—i—3<iQVLe&$lningD.&515廿 175 2M 22S 250 275li如?誦占犖(VfffliS)-*-2WVL￡p$&ir*g-*—JMVLECI￡*ing圖2：TMSEPIC具有良好的效率和高PFC效率。LINELINE圖2：線路電流輕松地通過EN61000-3-2ClassC標準。感謝TI的BrianKing在實驗室試驗方面提供的幫助。下次，我們將討論降低電源噪聲的擴頻技術，敬請期待。本文在相同的條件下對SEPIC及反激(Flyback)式拓撲這兩種電源進行了比較,闡述了這兩種電源方案的元件主要參數和特t性］時基于實例給出了每種拓撲的原型電路設計。文章得出的結論是SEP良的效率更高，但是需要使用更大的磁性元件。iririTUfjrJlJLJ|.LilLILJJULa .mil:L1；-IL31超；SEPIC 層Jft氏描廿圖1:典型汽車立體聲音響系統電源演示板(左邊為SEPIC,右邊為反激式拓撲。在很多時候，設計者們總是要面對一組非孤立存在的電源規格參數，其中輸出電壓介于輸入電壓的最大值與最小值之間。他們必須在SEPIC及反激式拓撲之間作出選擇。通常，他們會選擇反激式拓撲，主要原因是對SEPIC缺乏了解，而這種選擇可能并不是最合理的。表1列出了汽車立體聲音響系統的一組電氣規格參數。可以看到輸入電壓范圍非常大，從10V到40V，其中10V的電壓在大電流以及天氣很冷的情況下使用，而在汽車的電池斷開時會出現40V的浪涌。15V輸出電壓是輸入電壓范圍的中間值，需要一個對輸入電壓降壓-升壓的拓撲。輸出功率大約是26W,此功率在電源效率不太好時會引起散熱問題。以這些規格為實例，圖1是最后設計出的電源硬件原型，左邊是SEPIC，右邊是反激式拓撲。兩種設計看上去很像，但是SEPIC的耦合電感要比反激式拓撲的大。在輕負載條件下，SEPIC轉換器在連續電流模式(CCM功率因素校正控制器的應用"target=_blank>CCM)下工作時需要較多的能量儲存，因而需要較大尺寸的磁性元件。圖2是兩種拓撲簡化的功率轉換級電氣原理圖。圖中反激式拓撲也是在CCM模式下工作。電源開關Q3接通，變壓器開始充電，Q3斷開，變壓器的次級電壓反轉,電流通過D6到達輸出端。變壓器輸出等額的電量為輸出電容充電，并輸送至負載。通過控制占空比及進入系統的能量增加可以實現對電源的調節。電源開關及二極管都是工作在非箝位感應開關(UIS)模式，換句話說，施加在電源開關及二極管上的電壓在很大程度上由變壓器的漏感與雜散電容來控制。圖2：SEPIC左）及反激式拓撲（右）的簡化電氣原理圖。圖2中的SEPIC轉換器也是在連續電流模式（CCM）下工作。Q6接通后，C26的正極接地，此時變壓器T2的主次級線圈匝比相同，就會在C26的負極施加一個與變壓器輸入端相等的負電壓。也就是說電容上會有一個所示極性的輸入電壓，在這個電路中，當開關導通時，電能不斷儲存在初級電感中；電流流入次級電感及耦合電容（C26）,以均衡其電量。開關斷開，Q6上的電壓開始消失；一個來自初級線圈（通過C26）與次級線圈（通過D9）的電流形成了輸出電流。圖3：反激式轉換器設計圖。（點擊放大圖）此電路的優點在于場效應管（FET）電壓與二極管電壓都被電容器箝制住了，所以電路的瞬時擾動很小。不過耦合電容器C26上出現很大的紋波電流就像是SEPIC為此“付出的代價”。然而，此紋波電流在一定程度上會被C19的連續輸入電流所產生的紋波電流（比前者小很多）抵消。SEPIC拓撲電路的另一個優點就是能從輸入端吸取電能并同時輸送到輸出端，很像一個自耦變壓器。因為功率開關不必處理全部功率傳輸，所以這種電路具有更高的效率。表2從理論分析及具體數字兩個方面比較了這兩種拓撲的重要電路參數。此表假設電感紋波電流很小（大電感），所用的是理想二極管。同時假設反激式拓撲占空比是最大值50%。比較反激式拓撲的輸入電容與SEPIC的耦合電容時就會發現：兩種拓撲的電容紋波電流很相似。這兩個電容器應該有相近的額定電壓，因為它們都是由輸入電壓來充電的。兩種拓撲都有很大的交流紋波電流，必須使用低等效串聯電阻(ESR)電容器。圖4：SEPIC轉換器設計圖。(點擊放大圖)以上面的設計為例，由于與反激式電源相比，SEPIC的占空比較大，二極管也需要較長的反偏時間，所以需要稍微大一點的輸入電容。表3也給出了兩種電源的FET電壓及二極管電壓最大值。反激式拓撲的FET看上去有一個更低的“平頂(flat-top)”電壓。但是，它必須開關一個沒有被箝制的電感，這樣它的電壓最終會比SEPICFET的大得多。反激式拓撲二極管的峰值反向電壓(PIV)以一個比SEPIC大的電壓值開始，而且還會有一個非箝位感應開關毛刺，這使得二極管的峰值反向電壓很不理想。在本例中，電壓參數使得肖特基二極管在反激式拓撲中不能使用，而必須使用傳導損耗更高且效率更低的超快二極管。反激式變壓器的漏感在電源開關以及輸出二極管上引起的電壓毛刺通常要求使用電壓鉗和/或者使用緩沖電路來限制該峰值電壓，這樣會進一步降低效率。反激式拓撲的FET均方根電流同樣要比SEPIC小，這會降低工作時反激式拓撲的電導損耗。在元件方面，反激式拓撲電源唯一的優點就是磁性元件可以更小。電感的體積與所需儲備的能量L*I2相關，反激式拓撲電源的存儲能量大約是SEPIC的三分之一。高能量儲存需求是SEPIC采用尺寸大得多的電感的原因，如圖1所示。圖5：電源FET電壓波形圖(左邊是反激式電源，右邊遷EPIC)。圖3和圖4是圖1所示硬件原型演示電路的電氣原理圖。每個電路都只占據略大于3平方英寸的面積。SEPIC的電感高度是反激式電源中最高元件高度的兩倍。此電感本可以設計為平躺，這樣雖然可以降低高度，但也會增大印刷線路板(PWB)的面積。除了磁性元件以外，兩種電源都選用相似的功率級元件，但是選用了不同的控制器。反激式拓撲選用UCC2813,它能把占空比限制在最大值??50%,而SEPIC選用UCC3807,這種控制器允許占空比調整到超過50%。在本例中，SEPIC的占空比設為最大值??75%。反激式拓撲使用了3個輸入電容器來應對FET開關產生巨大脈沖電流的交流均方根值。通常情況下，高容量、低成本的鋁電解電容器要比陶瓷電容器的使用效果好，因為陶瓷電容器不能提供低輸入脈沖電壓所必需的電容值。而在SEPIC中只需要一個輸入電容器來處理三個電感電流的交流均方根值。這是一個相對比較低的均方根電流和電容，也是一個非常容易達到的指標。SEPIC需要兩個耦合交流電容器,和反激式電源的輸入電容器有相同的電壓需求，但是可以在更高的占空比下工作。高占空比把其均方根電流降至反激式電源輸入電容均方根電流的三分之二。圖6：輸出二極管的波形20V/div),左邊是反激式電源，右邊是SEPIC。圖5是兩種電源的FET電壓的波形圖。該波形圖是在最大輸出負載與12V直流輸入的情況下測得的。反激式變壓器的漏感會產生一個電壓峰值,此峰值將一個20V的電壓附加在“平頂”電壓上。相比而言，SEPICFET的開關波形被箝制，表現出很小的過沖或波動。這種箝制作用使造成的開關損耗較小、輸出電壓噪聲以及其功率級電路可工作在比反激式拓撲更高的頻率下。圖6是兩種電源的輸出二極管開關波形。同樣地，相對于SEPIC，反激式變壓器的漏感也產生一個很大的電壓毛刺。SEPIC只需要一個60V的肖特基二極管，而反激式電源為了能夠承受巨大的負極波動，需要一個200V的輸出二極管。反激式電源的超快二極管存在IV的正向壓降，而SEPIC的肖特基二極管只有0.5V的正向壓降，這使SEPIC可節約大量的電能。圖7是兩種電路在兩個不同的輸入電壓下測得的效率曲線。SEPIC的整體效率普遍要比反激式電路的效率要高出4%，能達到的最高效率為92.7%。兩個電路的元件功耗相近，只有輸出二極管及緩沖電路除外。非箝位感應開關迫使電路必須使用更高電壓的二極管，結果損耗增大，而且需要使用緩沖電路。西為西為90%69*珈B7%沁0.00 D.35心刃DJi1.00 ■（藥1.SD1752BD□MpU&jT?tInrFhfaM乜旳 ■凱泗器f-%p洛屯w—叩洛鉀血圖7：不同輸入電壓的效率曲線圖。SEPIC能提供比反激式轉換器更高的效率。反激式轉換器相對來說更加簡單且已經被人們所熟知，這是它的優勢，SEPIC能提供更高的效率而且元件的承載能力也可以低一些。表3對這兩種方案進行了比較。由于具有較低的FET及二極管電壓，SEPIC的效率更高。而反激式拓撲的元件面積更小，因為SEPIC的磁性元件相對較大。兩種設計方法的元件數目相近，其中功率元件的數量相等，支持元件的數量相近。反激式拓撲的一個不足是需要使用緩沖電路。連續輸入電流不僅能降低SEPIC輸入電容的紋波電流額定值，而且可以提高系統的電磁抗干擾能力。如果在12V輸入端有其他負載，反激式拓撲更可能會在輸入端產生不連續的輸入電流以及不必要的紋波，這需要額外進行濾波。此外還要考慮控制環路的特性。與反激式拓撲相比，SEPIC控制環路特性的文獻描述較少，所以沒有得到普遍認識。在CCM模式下工作及實施電流模式控制的SEPIC給控制系統提出了一些控制環路難題，包括補償一個恰當的右半面零點(righthalf-plane參數規格輸入電壓10V-40V輸岀電壓15V輸出電流0.2A-1.75A動態調節+M%波紋1,5%效率最少85怖表1:典型汽車立體聲音響系統的一組電氣規格。zero）以及隨輸入電壓及輸出負載而大幅變化的閉環增益。這樣會導致較低的控制環路增益，從而降低負載瞬態性能。但是，如果處理得當的話，SEPIC轉換器能提供一個卓越的高效解決方案。作者：JohnBettenRobertKollman德州儀器

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