ADI公司 Kevin Tompsett

雖然單電源軌到軌運算放大器已得到廣泛使用，但常常必須從單一（正）輸入供電軌產(chǎn)生兩個供電軌（例如±15 V），以便為模擬信號鏈的其他部分供電。這些部分的電流一般較低（例如 10 mA～500 mA），正負(fù)電源具有相對匹配良好的負(fù)載。

一種解決方案是使用兩個不同的DC-DC轉(zhuǎn)換器，分別用于提供正供電軌和負(fù)供電軌，但這樣做不僅成本高昂，而且也沒有必要。另一種解決方案是使用一個反激式轉(zhuǎn)換器。然而，兩個電源在差分負(fù)載下往往不能非常好地保持一致，需要體積較大且昂貴的變壓器，而且效率低下。

更好的解決方案是使用圖1所示的SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器[1]，該器件由一個輸出不受調(diào)節(jié)的C'uk轉(zhuǎn)換器連接到一個輸出受到調(diào)節(jié)的SEPIC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點組成。這一組合產(chǎn)生的兩個高效電源幾乎在所有條件下都能非常好地保持一致，除非負(fù)載100%不匹配。

從最基本的層面來看，SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器就是一個SEPIC轉(zhuǎn)換器連接至一個C'uk轉(zhuǎn)換器，兩者在開關(guān)節(jié)點處相互連接。圖1中采用并聯(lián)L1和L2的方式，而不是單個電感，目的是使兩個轉(zhuǎn)換器的耦合更加明顯。轉(zhuǎn)換器間之所以可以實現(xiàn)這種耦合是因為其轉(zhuǎn)換率大小相等符號相反且SN1處的電壓波形對兩個轉(zhuǎn)換器而言是相同的。

有趣的是，除了Cout，每個轉(zhuǎn)換器中元件的電流都是相同的（因為C'uk產(chǎn)生負(fù)電壓，因此需要考慮負(fù)號的情況），如圖2和圖3所示。在每個輸出端負(fù)載相同的情況下，IL1=IL2、IL3=IL4、IC1=IC2且 IQ3=IQ2。

因此，每個元件應(yīng)采用相同的值，這樣就會在兩個輸出電壓之間產(chǎn)生較好的匹配，并簡化小信號分析。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用3個單繞組電感、2個耦合電感、1個定制1:1:1變壓器，或者一個Coilcraft的六繞組Hexapath器件（或等效器件）構(gòu)建。電感耦合可將電感中的電流紋波減少到原值的1/3[1]，大大降低小信號模型的復(fù)雜性，并通過消除SEPIC和C'uk共振實現(xiàn)較高帶寬。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢之一是，單個標(biāo)準(zhǔn)電流模式升壓控制器（如 ADP1621[2]或 ADP1613[3]）可實現(xiàn)正負(fù)兩種輸出，反饋來自SEPIC（正）輸出。如果根據(jù)以下原則選擇器件，這種復(fù)雜轉(zhuǎn)換器的小信號模式看起來就與單輸出電流模式SEPIC基本完全相同：(1)每個輸出端采用相同的電容；(2)C2的電容值應(yīng)略大于C1。這些電容通常為陶瓷電容，因此必須考慮直流偏置上的差異；(3)應(yīng)采用耦合電容，使 L1、L2分別與L4、L3耦合。SEPIC和C'uk輸出端都應(yīng)選用同樣的電感。

本質(zhì)上，SEPIC-C'uk的C'uk（負(fù)）輸出是未經(jīng)調(diào)節(jié)的，因此與SEPIC（正）輸出相比，輸出電流的變化會帶來一定的負(fù)載變化，特別是負(fù)載不匹配時。注意，其跟蹤特性比相似配置的反激式轉(zhuǎn)換器要好得多，在瞬變或負(fù)載不匹配的情況下尤其如此。這是因為通道之間的耦合是直接連接，而非通過本身具有泄漏電感的變壓器進行連接。

當(dāng)兩個電源的負(fù)載相同時，在穩(wěn)態(tài)下，權(quán)重較大的誤差項是由電感的直流電阻與二極管的正向電壓不匹配造成的，應(yīng)設(shè)法讓這些誤差相對輸出電壓來說變得非常小。

當(dāng)負(fù)載顯著不匹配時，誤差增大，如圖4所示。因此，在某些應(yīng)用中，可能有必要在一個或兩個通道上放置一個小的偽負(fù)載，使兩個電源均在其調(diào)節(jié)窗口中。一般而言，只要有足夠的裕量，運算放大器等模擬器件對其電源的直流變化不是很敏感。

圖5顯示將一個30 mA瞬變施加于SEPIC-C'uk轉(zhuǎn)換器的C'uk(-Vout)輸出的響應(yīng)，SEPIC輸出保持恒定的100 mA負(fù)載。注意，兩個輸出均對該瞬變負(fù)載做出了響應(yīng)。

這是最差情況的瞬變，因為C'uk(負(fù))輸出未經(jīng)調(diào)節(jié)。值得注意的是，-Vout軌顯示的大部分偏差實際上是應(yīng)用于兩個軌的負(fù)載(Iout+、Iout-)之間不匹配所引起的直流調(diào)節(jié)偏移。

圖6所示的測試板是基于Excel的ADIsimPowerTM設(shè)計工具[4]而構(gòu)建。借助這款綜合設(shè)計工具，用戶可以快速而準(zhǔn)確地針對SEPIC-C'uk和其他許多開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建完整的原理圖和BOM。

實測效率如圖7所示。參考文獻[5]中給出了由單一輸入電壓實現(xiàn)分離供電軌的改進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。

[1]A general unified approach to modelling switching-converter power stages.http://www.ee.bgu.ac.il/～kushnero/temp/guamicuk.pdf.

[2]AD1621 data sheet[Z].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP1621.pdf.

[3]ADP1613 data sheet[Z].http://www.analog.com/en/powermanagement/switching-regulators-integrated-fet-switches/adp1613/products/product.html.

[4]ADIsimPower.http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dt-PowerMain.aspx.

[5]AN-1106.http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1106.pdf.