Методика расчёта преобразователя, собранного по топологии sepic + online-калькулятор

Схема преобразователя напряжения sepic

Топология преобразователя, изображённого на рисунке 1, называется SEPIC.

National Semiconductor в апноте 1484 предлагает для его расчёта следующую методику (мой перевод с моими же комментариями, так что если найдёте ошибку — пишите, обсудим):

1. Рассчитывается величина рабочего цикла ШИМ (коэффициент заполнения по нашему, — величина, обратная скважности):

D=(VOUT+VD)/(VIN+VOUT+VD), соответственно DMAX=(VOUT+VD)/(VIN MIN+VOUT+VD),

VOUT — выходное напряжение, VIN — входное напряжение, VIN MIN — минимальное входное напряжение, VD — падение напряжения на диоде D1 (см. в даташите "Forward Voltage").

2. Определяются параметры катушек индуктивности:

L1=L2=VIN MIN*DMAX/(ΔIL*fSW), где ΔIL — размах пульсаций тока в катушках, fSW — рабочая частота ШИМ.

Обычно при расчётах берут размах пульсаций тока равным 40% от максимального входного тока, ΔIL=0,4*IIN. Поскольку максимальный входной ток будет при минимальном входном напряжении, то эту формулу можно переписать в следующем виде: ΔIL=0,4*IOUT*VOUT/VIN MIN.

Пиковые значения токов в катушках определяются по формулам:

IL1(PEAK)=IOUT*(VOUT+VD)/VIN MIN*(1+0,4/2)

IL2(PEAK)=IOUT*(1+0,4/2)

3. Выбирается полевой транзистор MOSFET:

Максимальное напряжение, на которое рассчитан транзистор (см. в даташите "Drain-Sourse Voltage (Vgs=0)") должно быть больше или равно суммы выходного и максимального входного напряжений VDS(MAX) > VIN(MAX)+VOUT (лучше просто больше, чтоб был запас).

Примерное значение мощности, рассеиваемой транзистором, определяется по формуле:

P=(IRMS)2*RDS(ON)*DMAX+(VIN(MIN)+VOUT)*IPEAK*QGD*FSW/IG, где

(IRMS)2=(IOUT)2*(VOUT+VIN(MIN)+VD)*(VOUT+VD)/(VIN(MIN))2 — квадрат среднеквадратичного значения тока через открытый транзистор.

RDS(ON) — сопротивление канала в открытом состоянии (см.в даташите "Static Drain-Sourse On Resistance")

IPEAK=IL1(PEAK)+IL2(PEAK) — пиковый переключаемый ток транзистора

QGD — максимальный заряд затвор-сток (см. в даташите "Gate-Drain Charge")

IG — ток, который выдаёт управляющая микросхема для того, чтобы зарядить ёмкость затвора.

4. Выбирается диод D1.

Понятно, что лучше брать диод Шоттки — будут меньше потери мощности, меньше нагрев и выше КПД. Диод должен быть рассчитан на номинальный ток (см. в даташите "Forward Current"), больший или равный выходному току, при этом он должен выдерживать обратное напряжение (см. в даташите "Reverse Voltage") больше, чем VIN(MAX)+VOUT и пиковый прямой ток (см. в даташите "Peak Forward Current") больше, чем пиковый переключаемый ток IL1(PEAK +IL2(PEAK).

5. Выбор проходного конденсатора ( Cs ).

Ёмкость проходного конденсатора определяется из условия, что пульсации напряжения на конденсаторе не могут быть больше минимального входного напряжения:

ΔVCs=IOUT*DMAX/(Cs*fSW) < VIN(MIN), кроме того

проходной конденсатор должен быть рассчитан на соответствующий среднеквадратичный (RMS) ток:

ICs(RMS)=IOUT*√(Vout+Vd)/Vin(min)

6. Выбор конденсатора выходного фильтра.

Конденсатор выходного фильтра, во-первых, должен быть способен выдержать такой же RMS ток, как и проходной конденсатор: ICout(RMS)=IOUT*√(Vout+Vd)/Vin(min), и, во-вторых, он определяет величину выходных пульсаций напряжения, поэтому должен удовлетворять следующим условиям:

ESR<0,5*VRIPPLE/IPEAK и COUT>IOUT*DMAX/(0,5*VRIPPLE*fSW)

7. Выбор конденсатора входного фильтра.

Со входным фильтром всё проще. Поскольку на входном фильтре нет больших пульсаций (ток непрерывный, на входе — катушка L1), то конденсатора на 100 мкФ хватит за глаза практически для любых вариантов.

P.S. Хотя в апноте написано, что можно наматывать катушки на одном стержне, тем не менее, делать так не советую. Сильная связь между катушками приводит к ухудшению параметров регулирования, вплоть до полной неработоспособности схемы.

Online-калькулятор для расчёта преобразователя sepic:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

Исходные данные:

1) Параметры входного/выходного напряжения и тока нагрузки:

(по умолчанию Vripple(p-p)=50мВ)

Vin=В;  Vin(max)=В;  Vin(min)=В;  Vout=В;  Iout=А;

f=кГц;  Vripple(p-p)=мВ;

2) Параметры диода Шоттки (по умолчанию VD=0,2 В):

падение напряжения на диоде VD=В;

3) Параметры MOSFET и схемы управления:

Rds(on)=мОм;  Qgd=нК;  Ig=мА;

Предполагаемое значение Cs=мкФ (по умолчанию будет взято 10 мкФ);

Расчётные данные:

1) Коэффициент заполнения: номинальный D=;  максимальный DMAX=;

2) Катушки: L1=L2=мкГн (минимум);  пульсации тока DIL=А;

пиковые токи IL1(PEAK)=А,  IL2(PEAK)=А;

3) MOSFET: расчётная мощность P=Вт;

транзистор должен выдерживать пиковый ток IPEAK=А

и максимальное напряжение  VDS=В;

4) Диод должен выдерживать: обратное напряжение VR=В;

постоянный прямой ток IF=А;  пиковый ток IF(PEAK)=А;

5) Проходной конденсатор:  расчётный ток ICs(RMS)=А;

пульсации напряжения на Cs  ΔVCs=В    Vin(min)

6) Конденсатор выходного фильтра: ESR<мОм;  Cout>мкФ

Практические схемы преобразователей, собранных по топологии sepic

Добавить комментарий