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在多种DC-DC变换器拓扑结构中,Cuk转换器因其独特的电压反相能力和低噪声特性,成为需要将正电压高效转换为负电压的理想选择。该拓扑由Slobodan Ćuk教授提出,其结构与SEPIC相似,主要区别在于输出开关与顶部电感位置互换,从而实现输出接地的隔离,使输入和输出端口更为“安静”。
如下图所示,Cuk转换器的输入和输出均通过LC滤波器接入主电路,两个功率开关(通常为MOSFET)均连接至地。这种设计使得输入和输出端口不直接暴露于高频开关节点下,显著降低了传导噪声。同时,尽管存在两个开关节点,但热环路(即高di/dt路径)仍需尽可能缩小物理尺寸,以抑制电磁干扰(EMI)。
值得注意的是,Cuk拓扑中的功率开关承受的总电压应力等于VIN + |VOUT|。例如,在将36V输入转换为-36V输出的应用中,开关需承受72V电压,再加上可能的开关过冲,因此必须选择具备足够电压耐受能力的器件,建议留出至少20%的安全裕量。
此外,由于Cuk拓扑可实现连续输入与输出电流,适用于对输入纹波和输出噪声要求较高的系统,例如精密模拟电路供电、音频设备或传感器电源等场景。
热环路优化:虽然输入与输出端噪声较低,但仍需最小化热环路面积,避免高频辐射;
开关器件选型:根据VIN与|VOUT|之和确定MOSFET或控制器的最大电压额定值;
反馈网络设计:由于输出为负电压,反馈路径需考虑偏置方式及保护机制,防止异常电压损坏控制IC;
EMI抑制策略:结合输入/输出滤波器设计,合理布局PCB以降低整体系统的EMI水平。
LT8330:支持60V输入/1A输出能力,非同步升压架构,适合小体积、中功率Cuk应用;
LT3471:双模式SEPIC/Cuk控制器,42V输入/1.3A输出,适用于多通道或复杂拓扑需求;
LT3483:超小型封装,40V输入/400mA输出,专为低功耗逆变式电源设计;
LT8362:60V输入/2A输出,具备较高输出能力,适用于工业级Cuk转换器方案。
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Cuk转换器凭借其输入输出噪声低、电流连续性好等优势,广泛应用于对EMI敏感的系统中。对于工程师而言,掌握其拓扑特性、关键设计要点以及合理选型是实现稳定、高效负压电源的关键。随着集成化电源管理芯片的发展,未来Cuk拓扑的设计将更趋简化,适应更多高性能应用场景。