低输出电压纹波Zeta DC/DC转换器拓扑

在开关DC/DC转换器领域，Zeta拓扑是SEPIC拓扑中鲜为人知的相对拓扑。两个转换器均提供可大于、等于或小于 V 的正输出电压在同时避免了降压-升压转换器的复杂性和成本。然而，Zeta转换器具有显著降低输出纹波电压的优点。

Zeta和SEPIC的相似之处

为了比较拓扑结构，我们使用 LT8471 双通道多拓扑 DC/DC 转换器，该转换器具有两个 2A/50V 电源开关和反相开关，可降低输入和输出纹波。SEPIC拓扑之所以广受欢迎，是因为它可通过许多升压转换器IC（包括LT8471）轻松实现，并且具有连续输入电流，这在电池供电型系统中通常是必需的，以最大限度地减少电池的大脉冲电流消耗。泽塔，其降低的V型外纹波，由于V上需要负电压，因此与大多数开关稳压器IC不兼容X节点（图 1）。

图1a和1b是使用LT8471的Zeta和SEPIC拓扑的简化原理图。每种拓扑需要两个电感器（L1一&L1乙）、两个开关 （Q1& D1）和一个跨接电容器 （CF).Zeta重新排列了SEPIC的元件，使电感器与V串联外（我们将看到显着降低V外涟漪）。请注意，L1一&L1乙可以（通常）在单个封装中采用1：1耦合电感，以最大限度地减小电路板空间。

图 1a 和 1b。Zeta 和 SEPIC 拓扑

Zeta和SEPIC转换器使用相同的公式来计算连续导通模式下的开关占空比，并且鉴于它们具有相同的开关电流限值和组合电感电流纹波（对于两个电感），它们都向负载提供相同的最大电流，即：

其中，ILIM是Q1开关电流限值，DC是占空比，IL1_RIP是电感器组合电流纹波，η是转换效率（Zeta和SEPIC通常约为80%）。此外，二极管和电源开关要求VREVERSE和VCE（见表1）分别是Zeta和SEPIC转换器相同的。

Zeta和SEPIC的差异

使用SEPIC转换器（图1b）时，低边Q1'开关周期性地将VX'拉至地，从而增加电感电流。Q1' 然后关闭，之后 VX' 飞至 VOUT+VIN，通过 D1' 将电流输送到输出。使用 Zeta 转换器（图 1a），Q1 开关首先将 VX 上拉至 VIN，然后关闭，然后 VX 飞低至 -VOUT。LT8471 具有独特而灵活的 NPN 电源开关设计，能够在发射极上处理 -60V，使其能够与其他更熟悉的拓扑（升压、降压、SEPIC 等）一起使用。在图1a和图1b中，两种拓扑都使用相同数量的无源元件。但请注意，SEPIC使用类似于升压转换器中使用的低边功率开关Q1'，而Zeta需要高端开关Q1。图2显示了Zeta转换器的电流和开关波形。Q1 发射极电压在 VIN 和 -VOUT 之间切换。因此，E1引脚的额定摆幅必须为-VOUT。

图2.Zeta 电流和开关波形

输出电压纹波

与降压和Ćuk转换器类似，Zeta具有非常低的输出电压纹波。这些转换器中的每一个都有一个与VOUT串联的电感器，可防止输出电流的快速变化，否则会增加纹波电压。忽略COUT的ESR，在CCM中工作的Zeta的VOUT纹波由下式给出：

其中IL1B_RIP是L1B电感电流的峰峰值纹波，FSW是转换器的开关频率。

使用SEPIC时，器件外的电流仅在Q1'关断时流过D1'。这使得输出电流不连续并增加电压纹波。忽略COUT的ESR，在CCM中工作的SEPIC的VOUT纹波由下式给出：

其中ILOAD是输出负载电流，DC是开关占空比。

从上面的等式中，考虑到IL1B_RIP通常是ILOAD的一小部分，可以看出Zeta转换器的VOUT纹波比SEPIC转换器低得多。

输入电压纹波

忽略CIN的ESR，在CCM中工作的Zeta的VIN纹波由下式给出：

以CCM为单位的SEPIC转换器输入电压纹波由下式给出：

其中CIN 是输入电容，IL1A'_RIP是输入电感的电流纹波。

因此，与输出电压纹波相比，Zeta转换器的输入电压纹波通常高于SEPIC转换器。

组件电压额定值

表1比较了Zeta和SEPIC转换器。它列出了电源开关所需的额定电压（Q1）、功率二极管 （D1）和跨接电容器（CF).请注意，跨接电容器和电源开关端电压（发射极和集电极）因拓扑而异。

表1：Zeta与SEPIC比较

低电压外瑞波币应用

图 3 示出了使用带 8471A 开关的 LT2 双通道多拓扑 DC/DC 转换器的示例应用。该应用产生+/- 5V输出轨，均采用低纹波拓扑。通道1使用低输出纹波ĆUK拓扑产生-5V输出。通道2采用低输出纹波Zeta拓扑产生+5V输出。输入电压可在 4V 至 25V 范围内变化。

图3.LT8471 4V 至 25V 输入、±5V@1A电路

采用这种配置时，两路输出的电压纹波非常低，小于10mV，如图4所示。

图 4：LT8471 的低输出电压纹波

结论

当需要低纹波、正输出电压时，请考虑选择Zeta拓扑。与SEPIC类似，它从输入电压产生稳定的输出电压，该输入电压可以大于、等于或小于输出电压。由于其独特的 NPN 电源开关设计，LT8471 DC/DC 转换器非常适合创建 Zeta DC/DC 转换器。

审核编辑：郭婷