赛皮克（Sepic）是啥？ 基因突变的Boost实现升降压

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赛皮克（Sepic）是啥？ 基因突变的Boost实现升降压 [复制链接]

相信每一位电源工程师对非隔离DC/DC拓扑BUCK/BOOST/BUCK-BOOST都了如指掌，因为这三类拓扑可以应付90%以上的应用场合。但是有时候世界就是这么残酷，总有一些应用，让你手足无措，这个时候，如果你还不懂赛皮克，那你就OUT啦。

赛皮克，英文名叫SEPIC，是一种能够实现升降压的非隔离DC/DC拓扑，尤其适合电池供电的应用场合。

如图1所示，车载铅酸蓄电池电压13.8V，9-16V均为其正常工作电压范围，在汽车启动的时候，电池电压甚至会瞬间跌落至4.5V，此时如果挂在车载电池上的用电设备仍需要保持正常工作，则不得不采用升降压DC/DC的方案。

 

图1：升降压的应用场合

 

单开关Buck-Boost是升降压拓扑，但是Buck-Boost输出反极性，产生的是负压输出，这种负压输出应用到LED驱动是很好的方案，却不能应用到给普通设备供电；四开关Buck-Boost也是升降压拓扑，也能做到正极性输出，但就像利物浦主教练克洛普说过“好的球员除了贵，没有任何缺点”，四开关Buck-Boost集成四颗MOS管，对于中小功率场合，成本就不太划算了。

于是SEPIC就有了存在的价值。

 

下面简单为各位认真的朋友简单科普SEPIC电路的一些故事。

首先是“赛皮克”的工作原理

SEPIC电路的形式如图2所示，拓扑非常好记，Boost电路中间插入一个LC环节就构成了SEPIC电路。SEPIC电路通常取电感L1和L2相等。

 

我们都知道，电感在一个开关周期内不储存能量，所以一个开关周期内电感上的平均电压等于零，所以容易推出SEPIC电路中间的耦合电容Cac的电压Vac=Vin。

 

 

 

图2：Sepic电路的拓扑形式

 

如图3所示，当MOS管导通的时段Ton内，输入电压给L1充电，耦合电容Cac放电给L2充电，输出电容Co续流给负载提供能量。由于Vac=Vin，所以电感L1和L2的电流变化率相同。

 

 

图3：MOS管导通时Sepic工作原理

 

如图4所示，当MOS管关断的时段Toff内，电源通过L1、Cac、D给负载放电，同时L2也通过D给负载放电。不考虑D的管压降，L1两端的电压和L2两端电压都等于Vo，所以电感L1和L2的放电电流变化率也相等。

 

 

图4：MOS管关断时Sepic工作原理

关于SEPIC的工作过程，这么理解就比较清晰了：MOS导通的时候，电源给L1充电，耦合电容给L2充电，Co给负载放电，MOS关断的时候，L1充好的能量释放给耦合电容，L2从耦合电容得到的能量再释放给Co，能量就这样一级一级的向后传递。

之所以能够实现升降压的功能，我们根据电感的伏秒平衡法则就可以知道啦。

电感L1在Ton时段内电压为Vin，在Toff时段内电压为Vout，所以Vin*Ton=Vo*Toff。

换算一下，我们就可以得到SEPIC电路的变比：

Vo/Vin = D/(1-D)

D>0.5的时候是升压，D<0.5的时候是降压。

介绍完赛皮克的基本工作原理，我们来看看它的设计注意事项。

 

1.电感选型时保证低压侧流过最大负载电流时，电感电流的峰值不要超过饱和电流；

 

上面提到，电感L1和L2在MOS管开通和关断的过程中，其电流变化率是相同的，但是电感电流IL1和IL2的平均值却不相同。我们知道耦合电容一个周期内同样也不储存能量，所以流过耦合电容的电流的平均值也等于零，于是可以得到电感L1的电流平均值等于输入电流的平均值，电感L2的电流平均值等于输出电流的平均值。由于SEPIC电路中的两个电感通常选择参数完全一致的电感，所以我们在电感选型设计时，需要保证低电压侧流过最大电流时，其电感电流不超过电感标称的饱和电流参数。

 

2.保证MOS流过的电流不超过IC内部的Current Limit

 

根据图3，我们知道MOS管导通的时候，流过MOS的电流等于L1和L2的电流之和，当MOS关断的时候，流过Diode的电流也等于L1+L2的电流之和。所以MOS的通流能力需要大于输入+输出电流的平均值+半个峰峰值并留有一定的裕量。否则正常工作的时候，会导致流过MOS电流触碰到Current Limit点，从而触发过流保护。

 

3.保证MOS的耐压至少高于Vin+Vout

 

根据图4，我们知道MOS管导通的时候，SW点的电压等于0，MOS管关断的时候，SW点的电压等于Vin+Vout，所以MOS管的耐压需要至少高于Vin+Vout，这一点设计时需要多加注意。

讲到这里，赛皮克就基本为大家讲完了，这个时候，认真的朋友可能会抛出兹尔塔ZETA的问题，于是热心的小编也顺带给大家提一句。

兹尔塔和赛皮克是兄弟伙，赛皮克是基于Boost这类低边MOS衍生而来的升降压电路，兹尔塔则是基于Buck这类高边MOS衍生而来的升降压电路，电路形式如下图5所示。和赛皮克相比，几乎所有的分析都是互易的，认真的朋友可以自行分析。由于高边MOS的成本高于低边MOS，而且傲娇的MPS同学几乎把自己家的BUCK都做成了同步的，所以热心的小编不推荐！

 

 

图5：Zeta （兹尔塔）电路的拓扑形式

 

讲到这里，认真的朋友可能又会抛出库克CUK电路的问题，热心的小编只好说，认真的朋友请别这么认真了好么？这个电路你可能永远也用不上。

 

接下来才是重点喔！

MPS公司的MPQ3425是一颗输出支持55V耐压的Boost DC/DC，内部集成一颗90mΩ/3.5A的MOS。 

图6是MPQ3425做SEPIC的原理图。图7是MPQ3425输出12V@1A条件时的实测波形（CH1-SW；CH3-IL2；CH4-IL1）

 

具体芯片特性如下所示
 

 

图6：MPQ3425做SEPIC的原理图

 

 

图7: MPQ3425输出12V@1A条件时的实测波形图（Test Condition: EV3425-L-00A with modified circuit）

 

在汽车电子应用中，采用MPQ3425做赛皮克升降压的方案适用于ADAS车机侧给远端DMS（驾驶员监控系统）的IR LED供电，适用于ADAS车机侧给远端 AVM环视摄像头供电等多种需要升降压的应用场合。

 

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