基于 ZETA 拓扑结构的 DC/DC 转换器设计

引言

同 SEPICDC/DC转换器拓扑结构类似，ZETA转换器拓扑通过一个在输出电压上下范围变化的输入电压提供正输出电压。ZETA转换器也需要两个电感和一个串联电容器（有时称飞跨电容）。SEPIC 转换器使用一个标准升压转换器进行配置，ZETA转换器则不同，它通过一个驱动高端 PMOS FET 的降压转换器进行配置。ZETA 转换器是对不稳定输入电源进行调节的另一种方法，它就像一个低成本墙式电源。我们可以使用一个耦合电感来最小化电路板空间。本文将介绍如何设计一个运行在连续导电模式 (CCM) 下带耦合电感的 ZETA 转换器。

基本工作原理

图 1 显示了 ZETA 转换器的简单电路图，其由一个输入电容 CIN、一个输出电容 COUT、耦合电感 L1a 和 L1b、一个 AC 耦合电容 CC、一个功率 PMOS FET 即 Q1，以及一个二极管 D1 组成。图 2 显示了 Q1 为开启状态和 Q1 为关闭状态时，在 CCM 下运行的转换器。

图 1 ZETA 转换器的简单电路图

若想要知道各个电路节点的电压，在两个开关都为关闭状态且无开关操作时对 DC 条件下的电路进行分析很重要。电容 CC 与 COUT 并联，因此在稳态 CCM 期间 CC 被充电至输出电压 VOUT。图 2 显示了 CCM 运行期间 L1a 和 L1b 的电压。

图 2 CCM 运行期间的 ZETA 转换器

Q1 关闭时，L1b 的电压必须为 VOUT，因为其与 COUT 并联。由于 COUT 被充电至 VOUT，因此 Q1 关闭时 Q1 的电压为 VIN + VOUT；这样一来， L1a 的电压便为相对于 Q1 漏极的 –VOUT。Q1 开启时，充电至 VOUT 的电容 CC 与 L1b 串联；因此 L1b 的电压为 +VIN，而二极管 D1 的电压则为 VIN + VOUT。

图 3 显示了通过各种电路组件的电流。Q1 开启时，输入电源的能量被存储在L1a、L1b 和 CC 中。L1b 还提供 IOUT。Q1 关闭时，CC 持续为 L1a 提供电流，而 L1b 再次提供 IOUT。

图 3 CCM 期间 ZETA 转换器的分量电流