耦合电感拓展DC/DC转换器应用

本文重点介绍利用耦合电感满足常见应用需求的四种 DC/DC 转换器拓扑结构。

彻底了解耦合电感的各种规范，是充分利用它们所具有优势的一个基本要求。大多数耦合电感都具有相同的匝数—即 1：1 匝数比—但有些更新的耦合电感拥有更高的匝数比。耦合电感的耦合系数 K 一般约为 0.95，远低于自定义变压器至少为 0.99 的系数。耦合电感的互感系数让其在一些回描应用中显得有些没有效率，同时还会引起非理想(例如：圆形而非三角形)电感波形。另外，根据其绕组实际为串联还是并联，耦合电感的电流规格也不同。例如，绕组为串联时，等效电感就会因为互感而超过额定电感的2倍。饱和及 RMS 电流额定值一定适用于同时流过两个绕组的电流，除非产品说明书中另有说明。理解这些规范以后，我们便可以对现实应用中的一些耦合电感例子进行研究。

更小尺寸且更高效的 SEPIC

尽管DC/DC单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑不是什么新东西，但的确直到最近它才开始流行起来，然而，对于能够对高低输入电压之间的输出电压(例如：12V未校准插墙式电源)进行调节的转换器需求一直都存在。虽然我们可以将任何升压转换器/控制器配置为一个 SEPIC，但其在最近才得到普遍的使用。两个因素促进了 SEPIC 的人气大增：(1) IC 制造厂商已经开始制造更多具有电流模式控制功能的升压控制器，旨在简化补偿;(2) 电感制造厂商已经开始制造许多可以最小化转换器总 PCB 体积的单封装耦合电感。改用耦合电感以后，许多具有两个单独电感应用的电源体积可以缩减三分之一。图 1 显示了使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的一个 SEPIC。

图 1 使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的 SEPIC

更吸引人的是，使用一个 1：1 耦合电感的 SEPIC 可迫使电感纹波电流在两个绕组之间分开，从而允许使用两个单独电感要求电感的一半，产生相同的纹波电流。相对于相同尺寸封装中双倍电感值的两个单独电感，耦合电感具有更低的 DC电阻，有助于提高总转换器效率。特别是15-V 输入和 12-V、325-mA 输出时，图 1 所示 SEPIC 的效率超出 91%。

更小尺寸的 ZETA 转换器

由于使用了两个电感和一个耦合电容，ZETA 转换器拥有与 SEPIC 一样的升压降压功能，但使用的是一个降压控制器而非升压控制器。图 2 显示了 ZETA 结构中所使用的 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74。与 SEPIC 一样，得益于分离电感纹波电流，这种 ZETA 转换器只要求一半的电感就能得到相同的纹波电流。同样类似的，其总体电源体积比使用两个单独电感小三分之一。由于输出电感电流不断经过 ZETA 转换器输出，ZETA 转换器的输出电压具有比相同电感的 SEPIC 更低的纹波。因此，相比 SEPIC，ZETA 可能更适合于低噪声应用。

图 2 使用 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74 的 ZETA 转换器