耦合電感拓展了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

引言
最近，電感廠商紛紛開(kāi)始發(fā)布批量生產(chǎn)的耦合電感。耦合電感由兩個(gè)纏繞在同一磁芯上的單獨(dú)電感組成，其封裝與單電感在長(zhǎng)寬尺寸上相似，只會(huì)稍微高一點(diǎn)，但可以產(chǎn)生相同的電感值。耦合電感的價(jià)格一般也會(huì)比兩個(gè)單電感的價(jià)格低。耦合電感的繞組可以為串聯(lián)、并聯(lián)，也可以作為一個(gè)變壓器。本文重點(diǎn)介紹利用耦合電感滿足常見(jiàn)應(yīng)用需求的四種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

徹底了解耦合電感的各種規(guī)范，是充分利用它們所具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)基本要求。大多數(shù)耦合電感都具有相同的匝數(shù)—即 1：1 匝數(shù)比—但有些更新的耦合電感擁有更高的匝數(shù)比。耦合電感的耦合系數(shù) K 一般約為 0.95，遠(yuǎn)低于自定義變壓器至少為 0.99 的系數(shù)。耦合電感的互感系數(shù)讓其在一些回描應(yīng)用中顯得有些沒(méi)有效率，同時(shí)還會(huì)引起非理想（例如：圓形而非三角形）電感波形。另外，根據(jù)其繞組實(shí)際為串聯(lián)還是并聯(lián)，耦合電感的電流規(guī)格也不同。例如，繞組為串聯(lián)時(shí)，等效電感就會(huì)因?yàn)榛ジ卸^(guò)額定電感的2倍。飽和及 RMS 電流額定值一定適用于同時(shí)流過(guò)兩個(gè)繞組的電流，除非產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中另有說(shuō)明。理解這些規(guī)范以后，我們便可以對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一些耦合電感例子進(jìn)行研究。

更小尺寸且更高效的 SEPIC
盡管DC/DC單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 拓?fù)洳皇鞘裁葱聳|西，但的確直到最近它才開(kāi)始流行起來(lái)，然而，對(duì)于能夠?qū)Ω叩洼斎腚妷褐g的輸出電壓（例如：12V未校準(zhǔn)插墻式電源）進(jìn)行調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器需求一直都存在。雖然我們可以將任何升壓轉(zhuǎn)換器/控制器配置為一個(gè) SEPIC，但其在最近才得到普遍的使用。兩個(gè)因素促進(jìn)了 SEPIC 的人氣大增：(1) IC 制造廠商已經(jīng)開(kāi)始制造更多具有電流模式控制功能的升壓控制器，旨在簡(jiǎn)化補(bǔ)償；(2) 電感制造廠商已經(jīng)開(kāi)始制造許多可以最小化轉(zhuǎn)換器總 PCB 體積的單封裝耦合電感。改用耦合電感以后，許多具有兩個(gè)單獨(dú)電感應(yīng)用的電源體積可以縮減三分之一。圖 1 顯示了使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的一個(gè) SEPIC。

圖 1 使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的 SEPIC

更吸引人的是，使用一個(gè) 1：1 耦合電感的 SEPIC 可迫使電感紋波電流在兩個(gè)繞組之間分開(kāi)，從而允許使用兩個(gè)單獨(dú)電感要求電感的一半，產(chǎn)生相同的紋波電流。相對(duì)于相同尺寸封裝中雙倍電感值的兩個(gè)單獨(dú)電感，耦合電感具有更低的 DC電阻，有助于提高總轉(zhuǎn)換器效率。特別是15-V 輸入和 12-V、325-mA 輸出時(shí)，圖 1 所示 SEPIC 的效率超出 91%。

更小尺寸的 ZETA 轉(zhuǎn)換器
由于使用了兩個(gè)電感和一個(gè)耦合電容，ZETA 轉(zhuǎn)換器擁有與 SEPIC 一樣的升壓降壓功能，但使用的是一個(gè)降壓控制器而非升壓控制器。圖 2 顯示了 ZETA 結(jié)構(gòu)中所使用的 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74。與 SEPIC 一樣，得益于分離電感紋波電流，這種 ZETA 轉(zhuǎn)換器只要求一半的電感就能得到相同的紋波電流。同樣類似的，其總體電源體積比使用兩個(gè)單獨(dú)電感小三分之一。由于輸出電感電流不斷經(jīng)過(guò) ZETA 轉(zhuǎn)換器輸出，ZETA 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓具有比相同電感的 SEPIC 更低的紋波。因此，相比 SEPIC，ZETA 可能更適合于低噪聲應(yīng)用。

圖 2 使用 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74 的 ZETA 轉(zhuǎn)換器

分離軌電源
匹配正負(fù)電源軌是許多工業(yè)應(yīng)用的常見(jiàn)要求，對(duì)放大器而言更是如此。我們可以對(duì)寬輸入范圍降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置，以提供負(fù)輸出電壓。使用一個(gè)耦合電感代替這種反相降壓轉(zhuǎn)換器的電感，并增加一個(gè)二極管和電容器，便可將這種反相降壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)橐粋€(gè)雙輸出的轉(zhuǎn)換器。圖 3 顯示了以這種方法使用的 TI TPS54160 和 Coilcraft 150-μH MSD1260。只要每個(gè)軌的負(fù)載稍有接近，我們就對(duì)每個(gè)軌之間的差異進(jìn)行調(diào)節(jié)而非單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)軌，但耦合電感卻可以幫助提供對(duì)每個(gè)軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 3 使用 TI TPS54160 和 Coilcraft MSD1260 的分離軌降壓轉(zhuǎn)換器

更高的輸出電壓
集成 FET 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓受限于轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電流額定值。將一個(gè) 1：1 以上匝比的耦合電感連接至轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān) (SW) 引腳，可以擴(kuò)展所有升壓轉(zhuǎn)換器的有效輸出電壓范圍。例如，圖 4 顯示了 30-V 絕對(duì)最大電流額定值的 TI TPS61040 升壓轉(zhuǎn)換器，其作用是提供 35V 或更高的電壓，同時(shí)還顯示了一個(gè) 1：2 耦合電感 Coilcraft LPR4012-103B。耦合電感結(jié)構(gòu)多繞組端與二極管串聯(lián)時(shí)，單繞線電感——以及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān) FET—電壓只有輸出電壓的三分之一，即負(fù)輸入電壓。

圖 4 具有更大輸出電壓范圍的 TI TPS61040 和 Coilcraft LPR4012-103B

結(jié)論：
大多數(shù)電感制造商都會(huì)有一系列匝數(shù)比為1：1或更高的耦合電感。所以，發(fā)散一下思維吧，耦合電感會(huì)把應(yīng)用空間拓展到可喜的DC/DC轉(zhuǎn)換器IC領(lǐng)域。