中心议题：
耦合电容器AC 电压被施加于耦合电感漏电感的情况 利用松散耦合电感和紧密耦合电感构建电源的测量结果
本文将确定SEPIC 拓扑中耦合电感的一些漏电感要求，分两部分进行介绍。第一部分讨论耦合电容器 AC 电压被施加于耦合电感漏电感的情况。漏电感电压会在电源中引起较大的回路电流。第二部分将介绍利用松散耦合电感和紧密耦合电感所构建电源的一些测量结果。
耦合电容器AC 电压被施加于耦合电感漏电感的情况
在不要求主级电路和次级电路之间电气隔离且输入电压高于或者低于输出电压时，SEPIC 是一种非常有用的拓扑。在要求短路电路保护时，我们可以使用它来代替升压转换器。SEPIC 转换器的特点是单开关工作和连续输入电流，从而带来较低的电磁干扰(EMI)。这种拓扑(如图1 所示)可使用两个单独的电感(或者由于电感的电压波形类似)，因此还可以使用一个耦合电感，如图所示。因其体积和成本均小于两个单独的电感，耦合电感颇具吸引力。其存在的缺点是标准电感并非总是针对全部可能的应用进行优化。
图1 SEPIC 转换器使用一个开关来升降输出电压
这种电路的电流和电压波形与连续电流模式(CCM) 反向电路类似。开启Q1 时，其利用耦合电感主级的输入电压，在电路中形成能量。关闭Q1 时，电感的电压逆转，然后被钳制到输出电压。电容C_AC 便为SEPIC 与反向电路的差别所在;Q1 开启时，次级电感电流流过它然后接地。Q1 关闭时，主级电感电流流过C_AC，从而增加流经D1 的输出电流。相比反向电路，这种拓扑的一个较大好处是FET 和二极管电压均受到C_AC 的钳制，并且电路中很少有振铃。这样，我们便可以选择使用更低的电压，并由此而产生更高功效的器件。
由于这种拓扑与反向拓扑类似，因此许多人会认为要求有一套紧密耦合的绕组。然而，情况却并非如此。图2 显示了连续SEPIC 的两个工作状态，其变压器已通过漏电感(LL)、磁化电感(LM) 和一个理想变压器(T) 建模。经检查，漏电感的电压等于C_AC 的电压。因此，较小值C_AC 或者较小漏电感的大AC 电压会形成较大的回路电流。较大的回路电流会降低转换器的效率和EMI 性能，而这种情况是我们所不希望出现的。减少这种大回路电流的一种方法是增加耦合电容(C_AC)。但是，这样做是以成本、尺寸和可靠性为代价的。一种更为精明的方法是增加漏电感，其在指定某个定制磁性组件的情况下可以很轻松地实现。
2a)MOSFET 开启：VLL = VC_AC - VIN = ?VC_AC(DC 部分删除)
2b) MOSFET关闭: VLL = VIN + VOUT - VC_AC - VOUT = ?VC_AC (DC 部分删除)
图2a 和2b SEPIC 转换器的两种工作状态。
漏电感的AC 电压等于耦合电容电压。
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中心议题： 讨论耦合电感 SEPIC 转换器的优势 认识耦合电感和非耦合电感的的区别解决方案： 利用一个耦合电感或者两个均能实施SEPIC
单端初级电感转换器 (SEPIC) 能够通过一个大于或者小于调节输出电压的输入电压工作。除能够起到一个降压及升压转换器的作用以外，SEPIC 还具有最少的有源组件、一个简易控制器和钳位开关波形，从而提供低噪声运行。看是否使用两个磁绕组，是我们识别 SEPIC 的一般方法。这些绕组可绕于共用铁芯上，其与耦合双绕组电感的情况一样，或者它们也可以是两个非耦合电感的单独绕组。设计人员通常不确定哪一种方法最佳，以及两种方法之间是否存在实际差异。本文对每种方法进行研究，并讨论每种方法对实际 SEPIC 设计产生的影响。
电路运行
耦合电感的基本 SEPIC。当FET (Q1) 开启时，输入电压施加于初级绕组。由于绕组比为 1：1，因此次级绕组也被施加了一个与输入电压相等的电压；但是，由于绕组的极性，整流器 (D1) 的阳极被拉负，并被反向偏置。整流器偏颇关闭，要求输出电容在这种“导通”时间期间支持负载，从而强迫 AC电容 (CAC) 充电至输入电压。Q1 开启时，两个绕组的电流为 Q1 到接地，而次级电流流经 AC 电容。“导通”时间期间总 FET 电流为输入电流和输出次级电流的和。
FET 关闭时，绕组的电压反向极性，以维持电流。整流器导电向输出端提供电流时，次级绕组电压现在被钳位至输出电压。通过变压器作用，它对初级绕组的输出电压进行钳位。FET 的漏极电压被钳位至输入电压加输出电压。FET“关闭”时间期间，两个绕组的电流流经 D1 至输出端，而初级电流则流经 AC 电容。
伏-微秒平衡
耦合电感由两个非耦合电感代替时，电路运行情况类似。要让电路正确运行，必须在每个磁芯之间维持伏-微秒平衡。也就是说，对于两个非耦合电感而言，在FET“导通”和“关闭”时间期间，每个电感电压和时间的积必须大小相等，而极性相反。通过代数方法表明，非耦合电感的 AC 电容电压也被充电至输入电压。在 FET“关闭”时间期间，输出端电感被钳位至输出电压，其与耦合电感的次级绕组一样。在 FET“导通”时间期间，AC 电容在电感施加一个与输入电压相等但极性相反的电势。每间隔时间，对电感定义电压进行钳位，这样伏-微秒平衡便决定了占空比 (D) 的大小。其在连续导通模式 (CCM) 运行时，可简单表示为：
FET 导通时，施加于输入端电感的电压等于输入电压。FET关闭时，伏-微秒平衡通过钳位其 VOUT 来维持。记住，FET 导通时，输入电压施加于两个电感；FET 关闭时，输出电压施加于两个电感。两个非耦合电感 SEPIC 的电压和电流波形，与耦合电感版本的情况非常类似，以至于很难分辨它们。
两个还是一个？
如果 SEPIC 类型之间确实存在少许的电路运行差异的话，那么我们应该使用哪一种呢？我们通常选择使用耦合电感，是因其更少的组件数目、更佳的集成度以及相对于使用两个单电感而言更低的电感要求。然而，高功率现货耦合电感有限的选择范围，成为摆在广大电源设计人员面前的一个难题。如果他们选择设计其自己的电感，则必须规定所有相关电参数，并且必须面对更长的交货时间问题。耦合电感 SEPIC 可受益于漏电感，其可降低 AC 电流损耗。耦合电感必须具有 1：1 的匝数比，以实施伏-微秒平衡。选择使用两个单独的非耦合电感，一般可以更广泛地选择许多现货组件。由于并不要求每个电感的电流和电感完全相等，因此可以选择使用不同的组件尺寸，从而带来更大的灵活性。
方程式 1 到 3 表明了耦合电感和非耦合电感的电感计算过程。 
方程式计算得到最大输入电压和最小负载时 CCM 运行所需的最小电感。50% 占空比运行（VIN 等于 VOUT 时出现）和统一效率条件下，比较这些方程式可知，方程式 1 中耦合电感的计算值是非耦合电感计算值的两倍。由于转换器肯定会有损耗，而大多数输入电压源均有很大不同，因此这种简化了的电感泛化一般为错误的；但它通常足以应付除极端情况以外的所有情况。它一般意味着，转换器会比预期稍快一点进入非连续导通模式 (DCM) 运行，其在大多数情况下仍然可以接受。如前所述，使用非耦合电感时，正如我们通常假设的那样，无需输出端电感的值与输入端电感一样；但是为了简单起见肯定会这样做。利用 VOUT/VIN 调节输入端电感，便可确定输出端电感值。使用更小值输出端电感的好处是，它一般尺寸更小而且成本更低。
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00实例设计
“表 1”所示规范为设计比较的基础。第一个设计使用一个耦合电感，而第二个则使用两个非耦合电感。
使用一个耦合电感的设计是典型的 64W 输出功率车载输入电压范围。方程式1表明，耦合电感要求 12 µH 的电感，以及 13 A 的组合电流额定值（基于 IIN + IOUT）。这种设计特别具有挑战性，因为现货电感选择范围有限。因此，我们指定并设计了 Renco 自定义电感。该电感缠绕在一个分离式线轴上以产生漏电感，旨在最小化能够引起损耗的循环 AC 电流。产生这些损耗的因为，施加在漏电感的 AC 电容纹波电压。若想实施低功耗设计，Coilcraft（MSS1278 系列）和Coiltronics（DRQ74/127 系列）的耦合电感均是较好的现货产品。
就非耦合电感设计而言，33-µH Coilcraft SER2918用于L1，而22-µH Coiltronics HC9 则用于 L2。它们的选择均基于绕组电阻、额定电流和尺寸。选择电感时，设计人员必须注意还要考虑铁芯和 AC 绕组损耗。这些损耗可降低电感的有效DC电流，但并非所有厂商都提供计算所需的全部信息。错误的计算结果，会大大增加铁芯温度，使其超出典型的 40°C 温升。它还会降低效率，并且加速过早失效现象的出现。
表 1 原型 SEPIC 电气规范 参数 规范 输入电压 8到32V 输出电压 16V 最大输出电流 4A 纹波 1% 最小效率（最大负载） 91% 
图 2 使用耦合电感的 SEPIC（4A 时 16V）图 2 显示了使用一个耦合电感的原型 SEPIC的 示意图。若想在设计中实施非耦合电感，只需在相同 PWB 上用两个电感替换耦合电感便可。图 3 显示了两种原型电路。图 3b 中，L1 占用了耦合电感的空间，而 L2 则位于右上角。
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00正如预计的那样，两个电路以一种近乎完全一样的方式工作，且开关电压和电流波形实质相同。但在性能方面存在一些重要的差异。耦合电感设计的控制环路相当良性，而非耦合电感设计则在最初时候出现不稳定。环路增益测量表明，高 Q、低频谐振是罪魁祸首，其要求添加一个 R/C 阻尼滤波器与 AC 电容并联。极大简化时，谐振频率似乎约为：
图 3 SEPIC 原型SEPIC 电路具有非常复杂的控制环路特性，同时由于分析结果的解释一般较为困难，因此必需使用一些数学工具来进行具体分析。添加这种 R/C 阻尼滤波器（220 µF/2Ω）会增加成本、电路面积和损耗。相比一个单耦合电感，使用两个非耦合电感会使面积增加 10%。
图 4 显示了两种电路的测量效率。我们可以看到，耦合电感设计的效率增加多达 0.5%。这可能是由于耦合电感设计的总铁芯损耗更低，因为其 DC 接线损耗实际高于使用非耦合电感的设计。L2 使用一种粉状铁芯材料，其往往具有比L1 和自定义 Renco 耦合电感所用铁氧体材料更高的损耗。尽管使用了 L2 的铁氧体材料，但其会导致更大的面积。
结论
利用一个耦合电感或者两个非耦合电感，均能成功实施SEPIC。更高的效率、更小的电路面积以及更良性的控制环路特性，这些都是使用正确缠绕的自定义耦合电感时原型硬件所带来的好处。自定义组件没有现货器件那么理想，而许多耦合电感随处可以购买到，且尺寸更小。如果产品上市场时间至关重要，则非耦合电感可为设计人员带来更大的灵活性。 
图 4 耦合和非耦合电感均获得了较好的效率
中心议题：
- 利用耦合电感实现更小尺寸且更高效的SEPIC
- 利用耦合电感实现更小尺寸的 ZETA 转换器
- 耦合电感用于分离轨电源
- 利用耦合电感实现更高的输出电压
耦合电感由两个缠绕在同一磁芯上的单独电感组成，其封装与单电感在长宽尺寸上相似，只会稍微高一点，但可以产生相同的电感值。耦合电感的价格一般也会比两个单电感的价格低。耦合电感的绕组可以为串联、并联，也可以作为一个变压器。本文重点介绍利用耦合电感满足常见应用需求的四种 DC/DC 转换器拓扑结构。
彻底了解耦合电感的各种规范，是充分利用它们所具有优势的一个基本要求。大多数耦合电感都具有相同的匝数—即 1：1 匝数比—但有些更新的耦合电感拥有更高的匝数比。耦合电感的耦合系数 K 一般约为 0.95，远低于自定义变压器至少为 0.99 的系数。耦合电感的互感系数让其在一些回描应用中显得有些没有效率，同时还会引起非理想（例如：圆形而非三角形）电感波形。另外，根据其绕组实际为串联还是并联，耦合电感的电流规格也不同。例如，绕组为串联时，等效电感就会因为互感而超过额定电感的2倍。饱和及 RMS 电流额定值一定适用于同时流过两个绕组的电流，除非产品说明书中另有说明。理解这些规范以后，我们便可以对现实应用中的一些耦合电感例子进行研究。
更小尺寸且更高效的 SEPIC
尽管DC/DC单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑不是什么新东西，但的确直到最近它才开始流行起来，然而，对于能够对高低输入电压之间的输出电压（例如：12V未校准插墙式电源）进行调节的转换器需求一直都存在。虽然我们可以将任何升压转换器/控制器配置为一个 SEPIC，但其在最近才得到普遍的使用。两个因素促进了 SEPIC 的人气大增：(1) IC 制造厂商已经开始制造更多具有电流模式控制功能的升压控制器，旨在简化补偿；(2) 电感制造厂商已经开始制造许多可以最小化转换器总 PCB 体积的单封装耦合电感。改用耦合电感以后，许多具有两个单独电感应用的电源体积可以缩减三分之一。图 1 显示了使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的一个 SEPIC。
图 1 使用 TI TPS61170 和 Wuerth 744877220 的 SEPIC
更吸引人的是，使用一个 1：1 耦合电感的 SEPIC 可迫使电感纹波电流在两个绕组之间分开，从而允许使用两个单独电感要求电感的一半，产生相同的纹波电流。相对于相同尺寸封装中双倍电感值的两个单独电感，耦合电感具有更低的 DC电阻，有助于提高总转换器效率。特别是15-V 输入和 12-V、325-mA 输出时，图 1 所示 SEPIC 的效率超出 91%。
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更小尺寸的 ZETA 转换器
由于使用了两个电感和一个耦合电容，ZETA 转换器拥有与 SEPIC 一样的升压降压功能，但使用的是一个降压控制器而非升压控制器。图 2 显示了 ZETA 结构中所使用的 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74。与 SEPIC 一样，得益于分离电感纹波电流，这种 ZETA 转换器只要求一半的电感就能得到相同的纹波电流。同样类似的，其总体电源体积比使用两个单独电感小三分之一。由于输出电感电流不断经过 ZETA 转换器输出，ZETA 转换器的输出电压具有比相同电感的 SEPIC 更低的纹波。因此，相比 SEPIC，ZETA 可能更适合于低噪声应用。
图 2 使用 TI TPS40200 和 Coiltronics DRQ74 的 ZETA 转换器
分离轨电源
匹配正负电源轨是许多工业应用的常见要求，对放大器而言更是如此。我们可以对宽输入范围降压转换器进行配置，以提供负输出电压。使用一个耦合电感代替这种反相降压转换器的电感，并增加一个二极管和电容器，便可将这种反相降压转换器变为一个双输出的转换器。图 3 显示了以这种方法使用的 TI TPS54160 和 Coilcraft 150-μH MSD1260。只要每个轨的负载稍有接近，我们就对每个轨之间的差异进行调节而非单独调节每个轨，但耦合电感却可以帮助提供对每个轨进行调节。
图 3 使用 TI TPS54160 和 Coilcraft MSD1260 的分离轨降压转换器
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更高的输出电压
集成 FET 的 DC/DC 转换器的输出电压受限于转换器的开关电流额定值。将一个 1：1 以上匝比的耦合电感连接至转换器的开关 (SW) 引脚，可以扩展所有升压转换器的有效输出电压范围。例如，图 4 显示了 30-V 绝对最大电流额定值的 TI TPS61040 升压转换器，其作用是提供 35V 或更高的电压，同时还显示了一个 1：2 耦合电感 Coilcraft LPR4012-103B。耦合电感结构多绕组端与二极管串联时，单绕线电感——以及由此产生的转换器开关 FET—电压只有输出电压的三分之一，即负输入电压。
图 4 具有更大输出电压范围的 TI TPS61040 和 Coilcraft LPR4012-103B
TDK东电化旗下爱普科斯 (EPCOS) 新推B82472D6*系列耦合电感器，扩展了耦合电感产品组合。新系列包括9个产品，电感范围为2 x 2.2 H 至 2 x 47 H，最大额定电流从1.1 A 至 4.3 A。其中，兼容RoHS指令的扼流圈获得 AEC-Q200 认证，并具有高达7.95 A的大饱和电流；而磁屏蔽电感器的尺寸仅为 7.3 x 7.3 x 4.8 mm，适用于 -55 °C 至 +150 °C 的宽温度范围。电感的耦合系数从97% 至99%，具体视型号而定。
这些元件结构紧凑，坚固耐用，经实践检验且应用广泛：用于各种非隔离的 DC/DC 转换器拓扑，如 SEPIC、Cuk 和 Zeta；用作反激式和多输出降压拓扑中的变压器。后者应用中，耦合电感器用于提供次级输出电压。此外，这些元件两个绕组之间的绝缘电压>500 V，可用作电源线中的共模扼流圈。
主要应用：
- DC/DC 转换器，如 SEPIC、Cuk 或 Zeta
- 反激式转换器
- 多输出降压转换器
- 电源线中的共模扼流圈
- 大饱和电流：高达 7.95 A
- 紧凑尺寸：仅 7.3 x 7.3 x 4.8 mm
- 宽温度范围：-55 °C 至 +150 °C
- 超高耦合系数：最高达 99%
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这些元件结构紧凑，坚固耐用，经实践检验且应用广泛：用于各种非隔离的 DC/DC 转换器拓扑，如 SEPIC、Cuk 和 Zeta；用作反激式和多输出降压拓扑中的变压器。后者应用中，耦合电感器用于提供次级输出电压。此外，这些元件两个绕组之间的绝缘电压>500 V，可用作电源线中的共模扼流圈。
主要应用
- DC/DC 转换器，如 SEPIC、Cuk 或 Zeta
- 反激式转换器
- 多输出降压转换器
- 电源线中的共模扼流圈
主要特点和优势
- 大饱和电流：高达 7.95 A
- 紧凑尺寸：仅 7.3 x 7.3 x 4.8 mm
- 宽温度范围：-55 °C 至 +150 °C
- 超高耦合系数：最高达 99%
如需了解该产品的更多信息，请访问 www.tdk-electronics.tdk.com.cn/zh/power_inductors.
关于 TDK 公司
TDK株式会社总部位于日本东京，是一家为智能社会提供电子解决方案的全球领先的电子公司。TDK建立在精通材料科学的基础上，始终不移地处于科技发展的最前沿并以“科技，吸引未来”，迎接社会的变革。公司成立于1935年，主营铁氧体，是一种用于电子和磁性产品的关键材料。TDK全面和创新驱动的产品组合包括无源元件，如陶瓷电容器、铝电解电容器、薄膜电容器、磁性产品、高频元件、压电和保护器件、以及传感器和传感器系统（如：温度和压力、磁性和MEMS传感器）。此外，TDK还提供电源和能源装置、磁头等产品。产品品牌包括TDK、爱普科斯(EPCOS)、InvenSense、Micronas、Tronics以及TDK-Lambda。TDK重点开展如汽车、工业和消费电子、以及信息和通信技术市场领域。公司在亚洲、欧洲、北美洲和南美洲拥有设计、制造和销售办事处网络。在2021财年，TDK的销售总额为133亿美元，全球雇员约为129,000人。