低輸出電壓紋波Zeta DC/DC轉換器拓撲

在開關DC/DC轉換器領域，Zeta拓撲是SEPIC拓撲中鮮為人知的相對拓撲。兩個轉換器均提供可大于、等于或小于 V 的正輸出電壓在同時避免了降壓-升壓轉換器的復雜性和成本。然而，Zeta轉換器具有顯著降低輸出紋波電壓的優點。

Zeta和SEPIC的相似之處

為了比較拓撲結構，我們使用 LT8471 雙通道多拓撲 DC/DC 轉換器，該轉換器具有兩個 2A/50V 電源開關和反相開關，可降低輸入和輸出紋波。SEPIC拓撲之所以廣受歡迎，是因為它可通過許多升壓轉換器IC（包括LT8471）輕松實現，并且具有連續輸入電流，這在電池供電型系統中通常是必需的，以最大限度地減少電池的大脈沖電流消耗。澤塔，其降低的V型外紋波，由于V上需要負電壓，因此與大多數開關穩壓器IC不兼容X節點（圖 1）。

圖1a和1b是使用LT8471的Zeta和SEPIC拓撲的簡化原理圖。每種拓撲需要兩個電感器（L1一&L1乙）、兩個開關 （Q1& D1）和一個跨接電容器 （CF).Zeta重新排列了SEPIC的元件，使電感器與V串聯外（我們將看到顯著降低V外漣漪）。請注意，L1一&L1乙可以（通常）在單個封裝中采用1：1耦合電感，以最大限度地減小電路板空間。

圖 1a 和 1b。Zeta 和 SEPIC 拓撲

Zeta和SEPIC轉換器使用相同的公式來計算連續導通模式下的開關占空比，并且鑒于它們具有相同的開關電流限值和組合電感電流紋波（對于兩個電感），它們都向負載提供相同的最大電流，即：

其中，ILIM是Q1開關電流限值，DC是占空比，IL1_RIP是電感器組合電流紋波，η是轉換效率（Zeta和SEPIC通常約為80%）。此外，二極管和電源開關要求VREVERSE和VCE（見表1）分別是Zeta和SEPIC轉換器相同的。

Zeta和SEPIC的差異

使用SEPIC轉換器（圖1b）時，低邊Q1'開關周期性地將VX'拉至地，從而增加電感電流。Q1' 然后關閉，之后 VX' 飛至 VOUT+VIN，通過 D1' 將電流輸送到輸出。使用 Zeta 轉換器（圖 1a），Q1 開關首先將 VX 上拉至 VIN，然后關閉，然后 VX 飛低至 -VOUT。LT8471 具有獨特而靈活的 NPN 電源開關設計，能夠在發射極上處理 -60V，使其能夠與其他更熟悉的拓撲（升壓、降壓、SEPIC 等）一起使用。在圖1a和圖1b中，兩種拓撲都使用相同數量的無源元件。但請注意，SEPIC使用類似于升壓轉換器中使用的低邊功率開關Q1'，而Zeta需要高端開關Q1。圖2顯示了Zeta轉換器的電流和開關波形。Q1 發射極電壓在 VIN 和 -VOUT 之間切換。因此，E1引腳的額定擺幅必須為-VOUT。

圖2.Zeta 電流和開關波形

輸出電壓紋波

與降壓和?uk轉換器類似，Zeta具有非常低的輸出電壓紋波。這些轉換器中的每一個都有一個與VOUT串聯的電感器，可防止輸出電流的快速變化，否則會增加紋波電壓。忽略COUT的ESR，在CCM中工作的Zeta的VOUT紋波由下式給出：

其中IL1B_RIP是L1B電感電流的峰峰值紋波，FSW是轉換器的開關頻率。

使用SEPIC時，器件外的電流僅在Q1'關斷時流過D1'。這使得輸出電流不連續并增加電壓紋波。忽略COUT的ESR，在CCM中工作的SEPIC的VOUT紋波由下式給出：

其中ILOAD是輸出負載電流，DC是開關占空比。

從上面的等式中，考慮到IL1B_RIP通常是ILOAD的一小部分，可以看出Zeta轉換器的VOUT紋波比SEPIC轉換器低得多。

輸入電壓紋波

忽略CIN的ESR，在CCM中工作的Zeta的VIN紋波由下式給出：

以CCM為單位的SEPIC轉換器輸入電壓紋波由下式給出：

其中CIN 是輸入電容，IL1A'_RIP是輸入電感的電流紋波。

因此，與輸出電壓紋波相比，Zeta轉換器的輸入電壓紋波通常高于SEPIC轉換器。

組件電壓額定值

表1比較了Zeta和SEPIC轉換器。它列出了電源開關所需的額定電壓（Q1）、功率二極管 （D1）和跨接電容器（CF).請注意，跨接電容器和電源開關端電壓（發射極和集電極）因拓撲而異。

表1：Zeta與SEPIC比較

低電壓外瑞波幣應用

圖 3 示出了使用帶 8471A 開關的 LT2 雙通道多拓撲 DC/DC 轉換器的示例應用。該應用產生+/- 5V輸出軌，均采用低紋波拓撲。通道1使用低輸出紋波?UK拓撲產生-5V輸出。通道2采用低輸出紋波Zeta拓撲產生+5V輸出。輸入電壓可在 4V 至 25V 范圍內變化。

圖3.LT8471 4V 至 25V 輸入、±5V@1A電路

采用這種配置時，兩路輸出的電壓紋波非常低，小于10mV，如圖4所示。

圖 4：LT8471 的低輸出電壓紋波

結論

當需要低紋波、正輸出電壓時，請考慮選擇Zeta拓撲。與SEPIC類似，它從輸入電壓產生穩定的輸出電壓，該輸入電壓可以大于、等于或小于輸出電壓。由于其獨特的 NPN 電源開關設計，LT8471 DC/DC 轉換器非常適合創建 Zeta DC/DC 轉換器。

審核編輯：郭婷