Efaster - быстрый поиск электронных компонентов

Двухфазный преобразователь снижает пульсации тока и улучшает характеристики ЭМИ

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

В приложениях DC/DC преобразования, где входное напряжение может быть ниже или выше выходного, можно использовать либо обратноходовые преобразователи, либо SEPIC (single-ended-primary-inductor converter). Преобразователи SEPIC создают меньше пульсаций входного тока, чем обратноходовые схемы. Недостатками обоих преобразователей являются относительно высокие уровни пульсаций выходного тока, особенно при больших нагрузках и низком входном напряжении. С ростом величины пульсаций выходного тока ужесточаются требования к емкости выходного фильтра схемы, что увеличивает размер и стоимость устройства. Снизить пульсации выходного тока и напряжения без увеличения размеров и стоимости приложения можно с помощью многофазного SEPIC или обратноходового преобразователя. Использование многофазной обратноходовой схемы также значительно снижает пульсации входного тока.

Чтобы оценить преимущества двухфазной схемы перед однофазной, в этой статье сравниваются две конструкции, работающие на частоте переключения 300 кГц. Для корректности сравнения в обоих примерах используются одни и те же силовые компоненты, вследствие чего выходная мощность двухфазной схемы вдвое выше, чем у однофазной.


Рисунок 1.	Однофазный преобразователь SEPIC создает низкие пульсации входного тока и подходит для уровней мощности от 5 до 50 Вт.

Схема однофазного преобразователя SEPIC может отдавать ток до 3 А (Рисунок 1). Обычно КПД SEPIC на 1-2% выше, чем у обратноходовых преобразователей. На Рисунке 2 на верхней осциллограмме показан выходной ток диода при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки, а на нижней – пульсации выходного напряжения. Выходные конденсаторы схемы должны выдерживать пиковые значения тока выходного диода до 14 А. Даже несмотря на то что в схеме используются четыре выходных конденсатора с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением), пульсации выходного напряжения все равно составляют 110 мВ пик-пик. Алюминиевый выходной конденсатор C_OUT2 мало помогает в снижении выходных пульсаций из-за гораздо более высокого ESR. C_OUT2 в основном помогает сглаживать реакцию на переходные процессы в нагрузке, добавляя большую емкость к выходной шине.


Рисунок 2.	Пиковые токи выходного конденсатора схемы на Рисунке 1 достигают примерно 14 А (нижняя осциллограмма).

На Рисунке 3 изображена схема двухфазного преобразователя, похожая на однофазный преобразователь на Рисунке 1, за исключением добавления идентичного силового каскада второй фазы. Вторая фаза вдвое уменьшает токи дросселя, MOSFET, и выходного диода. При вдвое меньших пиковых токах выходных диодов на 50% снижаются выходные пульсации (Рисунок 4). Кроме того, удваивается частота пульсаций выходного тока, что облегчает фильтрацию при необходимости использования дополнительного LC-фильтра.


Рисунок 3.	Добавив второй силовой каскад и сдвинув фазы синхронизации на 180°, выходные пульсации тока можно снизить более чем на 50%.

Преимущества использования двухфазного преобразователя становятся очевидными, если сравнить пульсации тока выходного конденсатора (Рисунок 5). У двухфазного преобразователя они всегда ниже, чем у эквивалентного однофазного преобразователя. Пульсации тока выходного конденсатора двухфазного преобразователя зависят от коэффициента заполнения и при 50% могут приближаться к 0 А. Пульсации тока дросселя все же остаются, но их можно уменьшить, используя дроссели большего размера.


Рисунок 4.	Для двухфазного преобразователя SEPIC пульсации выходного тока ниже на 50%. Пульсации выходного напряжения на 50% ниже, чем у однофазной конструкции с такими же выходными конденсаторами.

Использование двухфазного преобразователя означает, что вы можете использовать дроссели, MOSFET, выходные диоды и выходные конденсаторы меньшего размера, чем потребовалось бы для эквивалентного однофазного преобразователя. Поскольку весьма вероятно, что в мощных конструкциях придется использовать более одного MOSFET, для двухфазной схемы может оказаться достаточно только одного дополнительного дросселя и одного диода меньших размеров. Выходные LC-фильтры также могут быть меньше из-за удвоения частоты выходных пульсаций. И, наконец, характеристики электромагнитных излучений двухфазного SEPIC должны быть лучше, чем у однофазного преобразователя, из-за более низких скоростей нарастания тока и меньших размеров токовых петель.


Рисунок 5.	Нормализованные зависимости пульсаций тока на выходном конденсаторе для одно- и двухфазного преобразователя SEPIC показывают преимущество двухфазной схемы. (I_OUT – выходной ток, I_RIPPLE – пульсации выходного тока).