Двухфазный преобразователь снижает пульсации тока и улучшает характеристики ЭМИ

Linear Technology LTC3862

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.

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

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.

Однофазный преобразователь SEPIC создает низкие пульсации входного тока и подходит для уровней мощности от 5 до 50 Вт.
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 COUT2 мало помогает в снижении выходных пульсаций из-за гораздо более высокого ESR. COUT2 в основном помогает сглаживать реакцию на переходные процессы в нагрузке, добавляя большую емкость к выходной шине.

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

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

Для двухфазного преобразователя SEPIC пульсации выходного тока ниже на 50%.
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.

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

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LTC1871-1
  2. Datasheet Linear Technology LTC3862
  3. Datasheet Renesas HAT2169H
  4. Datasheet Diodes PDS1040

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Use two phases to cut current and improve EMI

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

18 предложений от 16 поставщиков
IC: PMIC; преобразователь DC/DC; Uвх: 4÷36В; SSOP24; buck
T-electron
Россия и страны СНГ
LTC3862IFE# PBF
Linear Technology
291 ₽
ЭИК
Россия
LTC3862EUH#PBF
Linear Technology
от 302 ₽
LTC3862FE-1
по запросу
МосЧип
Россия
LTC3862IFE#TRPBF
Linear Technology
по запросу
Как быстро и эффективно спроектировать источник питания
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя