مبدل SEPIC نوعی مبدل ولتاژ DC-DC (تنظیم کننده) می باشد که می تواند ولتاژ ورودی را هم تقویت کند و تضعیف کند؛ یکی از ویژگی های کارآمد که برای بدست آوردن حداکثر بازدهی از باتری هنگامی که ضرورت ولتاژ سیلیکون لازم بالاتر از دامنه ی ولتاژ پایین باطری می باشد، به کار می رود.
مبدل سنتی باک/بوست نیز این کار را می تواند انجام دهد، اما SEPIC دارای تعدادی از مزیت ها نسبت به رقیب سنتی خود می باشد. این مقاله توپولوژی تنظیم کننده ولتاژ SEPIC و مزیت های آن را بیان می کند و برخی از ماژول های جدید توان مبتنی بر SEPIC را بررسی می کند.
به حداکثر رسانی کیفیت باتری
همچنان که باتری تخلیه می شود، ولتاژ خروجی آن کاهش می یابد. برای مثال، یک باتری لیتیوم-یونی (LI-ion) هنگامی که بطور کامل شارژ می شود 4.2V تأمین می کند، و در انتهای نقطه تخلیه به 3V افت می کند. شکل 1 منحنی تخلیه LI-ion را تحت بار 0.2 C (جاییکه C ظرفیت مجاز باتری در آمپر-ساعت می باشد) نشان می دهد.
.png)
تنظیم کننده های ولتاژ DC-DC برای محصولات موبایل جهت تبدیل ولتاژ باتری به ولتاژ ثابت مناسب برای سیلیکون حساس طراحی شده اند. تنظیم کننده های خطی از یک مقاومت متغیر بعنوان تقسیم کننده ولتاژ که تنظیم توسط حلقه بازخورد ارائه می شود، استفاده می کنند.
تنظیم کننده خطی تا نقطه ای که در آن خروجی باتری با ولتاژ مورد نیاز سیلیکون برابر می شود به خوبی کار می کند. با این وجود، تنظیم کننده خطی تنها می تواند ولتاژ ورودی را کاهش دهد، در نتیجه بسته به افت ولتاژ تنظیم کننده، مدار در ولتاژی که کمی بالاتر از ولتاژ تقاضا شده توسط سیلیکون می باشد، عملیاتش را متوقف خواهد کرد. در حالی که تراشه های مدرن با افت ولتاژ پایین (LDO) این تفاوت ولتاژ را به حداقل می رسانند، هیچ تنظیم کننده خطی نمی تواند با ولتاژ ورودی پایین تر از خروجیش عمل کند.
TPS7A3401 یک تنظیم کننده ولتاژ LDO که می تواند خروجی برابر با 1.18 تا 18V را از مقدار موجودی 3 ت 20V تولید کند. تنظیم کننده می تواند جریان خروجی تا 200 mA را تأمین کرده و افت ولتاژ برابر با 0.5V را ارائه دهد.
مبدل باک می تواند در سیستم های قابل حمل یک ایراد به شمار رود، چرا که محصول هنگامی که حتی کمی ظرفیت در باتری باقی می ماند، عملیاتش را متوقف می کند. برای مثال اگر سیلیکون نیاز به 3.3V داشته باشد، آنگاه باتری دستگاه تحت شرایط نشان داده شده در شکل 1، بعد از تنها سه ساعت تخلیه خواهد شد.
سوئیچینگ تنظیم کننده های ولتاژ DC-DC انعطاف پذیرتر می باشد. در آرایش های خاص، تنظیم کننده های سوئیچینگ می توانند هنگامی که ولتاژ باتری به زیر ولتاژ بحرانی افت می کند، از حالت افت به حالت تقویتی تغییر یابند. بعد از تغییر حالت، خروجی تنظیم کننده بیش تر از ولتاژ ورودی خواهد شد، و همزمان با به حداکثر رسانی ظرفیت باتری، یک ولتاژ ثابت برای سیلیکون تأمین خواهد شد.
مثالی از چنین دستگاهی، تنظیم کننده ی ولتاژ سوئیچینگ باک بوست NCP3064 متعلق به ON Semiconductor می باشد. این تراشه می تواند از ورودی 1.25V تا 40V جهت انتقال 3 V تا 40V در جریانی برابر با 1.5A عمل کند. بازده اوج برابر با 90 درصد می باشد.
مزیت های SEPIC
یک مبدل سوئیچینگ با آرایش معمولی باک / بوست در شکل 2 نشان داده شده است. ولتاژ خروجی حاصل duty cycle موج PWM و ولتاژ خروجی می باشد. این نوع مبدل در کاربردهای باتری-محرک به دلیل بازده بالایش محبوب می باشد.
.png)
یکی از مشخصات کلیدی توپولوژی اساسی باک / بوست این است که ولتاژ در بار در مقایسه با ولتاژ انتقالی توسط باتری وارون می شود. این وارونگی ولتاژ می تواند به پیچیدگی طراحی بیافزاید، بویژه هنگام تأمین مولفه های مشابه.
در مقایسه، تنظیم کننده SEPIC براساس طراحی باک / بوست می باشد اما یک وارون ساز و خازن اضافی به آن افزوده می شود. بعلاوه، یک انتهای وارون ساز اولیه به انتهای مثبت باتری متصل می شود. خازن هر گونه مولفه DC بین ورودی و خروجی را مسدود می کند. افزودن این خازن به این معنی است که وارون ساز دومی باید افزوده شود تا آند دیود بتواند به پتانسیل معلومی متصل شود. این امر بوسیله اتصال دیود به زمین از طریق القاگر دوم حاصل می شود.
از آنجاییکه ولتاژ برابری از طریق چرخه سوئیچینگ به القاگرها اعمال می شود، در برخی طراحی ها هر دو القاگر به یک هسته می پیچند، که مزیت این کار تعداد کاهش یافته اجزا و طرح فشرده تر می باشد.
آرایش SEPIC (شکل 3) فواید توپولوژی باک / بوست را برای طرح های باتری-محرک حفظ می کند اما با این مزیت کلیدی که ولتاژ خروجی SEPIC قطبیت برابری با ورودی دارد.
طرح SEPIC برتری های دیگری نیز دارد. اولا، انرژی کوپلینگ خازن از ورودی به خروجی به دستگاه اجازه مدیریت قطعی مدار را به شیوه ای که نسبت به طراحی سنتی باک / بوست کنترل بیش تری دارد، می دهد. دوما، هنگامی که سوئیچ خروجی تنظیم کننده SEPIC را خاموش کرد، برخلاف آرایش باک / بوست ، به 0 V افت پیدا می کند. سوما، طراحی SEPIC از حداقل اجزای فعال استفاده می کند و توسط یک کنترل کننده ساده تحت نظارت قرار می گیرد، و با این کار هم در هزینه و هم در فضا صرفه جویی می شود. در نهایت، به دلیل اینکه تنظیم کننده SEPIC از شکل موج سوئیچینگ گیره ای استفاده می کند، در عملیات سوئیچینگ فرکانس بالای خود کاهش نویز را نشان می دهد و در نتیجه چالش های تداخل الکترومغناطیسی را تسهیل می بخشد.
مهم ترین عیب توپولوژی SEPIC کاهش در بازده به دلیل ظرفیت های کوچک خازنی پارازیتی اضافی و امپدانس های مربوط به خازن و القاگر اضافی می باشد. اندازه تأثیر با توجه به کاربرد تغییر می کند، اما با این که یک دستگاه معمولی تقویت/افت ممکن است بازدهی برابر با 92 درصد ارائه دهد، SEPIC معادل، بازده اوج برابر با 90 درصد را نشان خواهد داد.
تامین ماژول های SEPIC
تنظیم کننده های ولتاژ – SEPIC همانند همتای سنتی باک / بوست خود، براساس تراشه های مدیریت توان، از دامنه ای از تأمین کننده ها پدید می آیند. این مدول ها اجزای کلیدی تنظیم کننده سوئیچینگ را به یک تراشه واحد یکپارچه می کنند و با این کار برخی از چالش های طراحی مدار را تسهیل می بخشند. با این وجود، معمولا چنین مدول هایی شامل القاگرها و خازن ها نمی شوند.
تکنولوژی خطی LT3467 طراحی شده برای عملیات SEPIC را پیشنهاد می دهند. دستگاه می تواند خروجی برابر با 1.255 تا 40V را از ورودی 2.4 تا 16V تولید کند. حداکثر خروجی جریان 1.1 A بوده و این دستگاه قول 90 درصد بازده (در VIN = 4.2 V, VOUT = 5.0 V, IOUT 300 mA ) را می دهد. شکل 4 یک مدار کاربردی برای LT3467 نشان می دهد.
.png)
TI TPS61170 را برای آرایش های SEPIC خود پیشنهاد می دهد. این مدول دارای دامنه خروجی ولتاژ 3 تا 38 V از ورودی 3 تا 18 V می باشد. این دستگاه در فرکانس ثابت 1.2 MHz عمل می کند و می تواند تا 1.2A تأمین کند. همچنین بازده حدود 90 درصد (در VIN = 5 V, VOUT = 12 V, and IOUT = 150 mA) می باشد.
تنظیم کننده ولتاژ SEPIC انتخاب خوبی برای سیستم های غیر ایزوله ی باتری-محرک می باشد. این توپولوژی قادر است هم ولتاژ را کاهش دهد و هم آن را تقویت کند، و برخلاف تنظیم کننده سنتی باک/ بوست، خروجی غیر وارون شده و ولتاژ صفر را تأمین کند.
