基于 ZETA 拓撲結構的 DC/DC 轉換器設計

引言

同 SEPIC DC/DC 轉換器拓撲結構類似，ZETA 轉換器拓撲通過一個在輸出電壓上下范圍變化的輸入電壓提供正輸出電壓。ZETA 轉換器也需要兩個電感和一個串聯電容器（有時稱飛跨電容）。SEPIC 轉換器使用一個標準升壓轉換器進行配置，ZETA 轉換器則不同，它通過一個驅動高端 PMOS FET 的降壓轉換器進行配置。ZETA 轉換器是對不穩定輸入電源進行調節的另一種方法，它就像一個低成本墻式電源。我們可以使用一個耦合電感來最小化電路板空間。本文將介紹如何設計一個運行在連續導電模式 (CCM) 下帶耦合電感的 ZETA 轉換器。

基本工作原理

圖 1 顯示了 ZETA 轉換器的簡單電路圖，其由一個輸入電容 CIN、一個輸出電容 COUT、耦合電感 L1a 和 L1b、一個 AC 耦合電容 CC、一個功率 PMOS FET 即 Q1，以及一個二極管 D1 組成。圖 2 顯示了 Q1 為開啟狀態和 Q1 為關閉狀態時，在 CCM 下運行的轉換器。

圖 1 ZETA 轉換器的簡單電路圖

若想要知道各個電路節點的電壓，在兩個開關都為關閉狀態且無開關操作時對 DC 條件下的電路進行分析很重要。電容 CC 與 COUT 并聯，因此在穩態 CCM 期間 CC 被充電至輸出電壓 VOUT。圖 2 顯示了 CCM 運行期間 L1a 和 L1b 的電壓。

圖 2 CCM 運行期間的 ZETA 轉換器

Q1 關閉時，L1b 的電壓必須為 VOUT，因為其與 COUT 并聯。由于 COUT 被充電至 VOUT，因此 Q1 關閉時 Q1 的電壓為 VIN + VOUT；這樣一來， L1a 的電壓便為相對于 Q1 漏極的 –VOUT。Q1 開啟時，充電至 VOUT 的電容 CC 與 L1b 串聯；因此 L1b 的電壓為 +VIN，而二極管 D1 的電壓則為 VIN + VOUT。

圖 3 顯示了通過各種電路組件的電流。Q1 開啟時，輸入電源的能量被存儲在L1a、L1b 和 CC 中。L1b 還提供 IOUT。Q1 關閉時，CC 持續為 L1a 提供電流，而 L1b 再次提供 IOUT。

圖 3 CCM 期間 ZETA 轉換器的分量電流