【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 6

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 5,我們利用 Madis Kaal 的線上的設計工具示範了 MC34063 的設計及零件選用的過程,以及在不同特性之間取捨的設計迭代過程。我們在計算漣波電壓與輸出電容之間的關係時,發現交換頻率的增加對於改善輸出漣波以及減小電感這兩件事都有正面的影響

這一回我們要來介紹比較新的交換式電源 IC,來看看當交換頻率變高時,設計上會有什麼改變。

零件選用

我們以 TI 的 boost converter 零件爲例來介紹這次的設計。在 TI 的網站上,boost converter 是放在 Power Management → Step-up(boost)regulators → Boost converters 之下。在 Step-up(boost)regulators 這個分類之下,除了 Boost converters 外,還有另一個類別叫做 Boost controllers。

在 Step-up(boost)regulators 的頁面下有一張圖,說明了 converter 與 controller 的不同:

(圖片來源:Bird 提供)

Converter 就如同我們之前介紹的 MC34063A 一樣,內建開關電晶體,因此只要加上電感和幾個外部元件就可以工作,而 boost controller 指的則是那些需要外加開關電晶體的 boost 電源控制 IC。我們下一回會再詳細介紹這種需要外加開關電晶體的 boost controller,這一次就讓我們先來看看內建開關電晶體的 boost converter。

上面這兩張圖中的電路似乎和我們之前看到的 boost 電路不太一樣,裡面少了整流二極體,但多了一顆 MOSFET?我們稍後會說明這個差異。

點進 boost converters 的分類中,再點 Products 的分頁,就可以看到這個分類中完整的產品列表。

(圖片來源:Bird 提供)

TI 的產品選擇網頁提供了很多參數化的篩選方式,幫助使用者找到需要的產品(當然,找電源 IC 最常用的篩選方式就是輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等,因此這個篩選方式做在最容易操作的畫面上方)。除此之外,我們也可以用交換頻率、最大開關電流、封裝方式等更複雜的參數來篩選。我們甚至可以在列表中直接看到每一顆 IC 在 TI 的庫存量,這對於現在這種半導體零件缺貨的亂世來說,是非常有幫助的功能。

TLV61220

這次我們要來當範例的 IC 是 TI 的 TLV61220,這是一顆最低輸入 0.7 V,輸出可以在 1.8 V 到 5.5 V 之間調整的 boost converter。這種輸入輸出電壓的 IC,通常是設計給單顆鋰電池(電壓範圍 3 V – 4.2 V)或是一到兩顆涅氫電池串聯(電壓範圍 1.2 V – 2.4 V)爲電源、工作電壓在 3.3 V 或 5 V 的小型電子產品所使用,因此它的設計會很注重效率,尤其是輕載時的效率。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是 TLV61220 在 datasheet 中的範例電路圖。R1 和 R2 是回授電路的分壓電阻,用來設定輸出的電壓。TLV61220 的 VFB 只有 0.5 V,不過它並不能設定到這麼低的輸出電壓,它的最低輸出電壓是 1.8 V,而且必需要大於等於輸入電壓。

有一路追蹤本專欄的讀者,對於電源電路的回授分壓應該已經很熟悉了。VFB 跟 VOUT 之間的關係就是 R1 和 R2 上的分壓:

VFB = VOUT * (R2 / (R1 + R2) )

TLV61220 的 VFB 是 0.5 V,因此 VOUT 就 =0.5 * (R1 + R2) / R2

Datasheet 上建議 R2 要小於 500 KΩ,讓分壓電路上的電流至少有 1 uA 以維持回授電路的穩定,因此在設定 R1 和 R2 時要特別注意。R1 和 R2 的總和太小會增加耗電,而太大會降低回授電路的穩定性,這也是一個設計上需要拿捏的地方。

電路中的 C1 和 C2 分別是輸入電容器和輸出電容器。如同我們之前聊線性穩壓電源時說過的,這種比較新的電源 IC,都會以 ESR 較低的陶瓷電容當作搭配的濾波電容,因此不需要太大的電容就可以達到很好的濾波效果,也可以避免在電容充放電時,ESR 造成的能量損失。

L1 就是交換式電源的儲能電感,由於 TLV61220 的交換頻率介於 500 KHz 到 2 MHz 之間,算是很高的交換頻率,每一次對電感充電的時間就很短,再加上它內部的開關電晶體最大只能耐 0.4 A 的開關電流,因此相較於上一回介紹的 MC34063 需要用到 100 uH 以上的電感,TLV61220 只需要 4.7 uH 的電感就可以工作得很好。

我們知道 TLV61220 有內建開關電晶體(所以它是 converter 而不是 controller),但是怎麼沒看到整流二極體呢?

同步整流

我們來看一下 TLV61220 內部的結構:

(圖片來源:Bird 提供)

我們可以看到 TLV61220 內部有兩顆 MOSFET,其中一顆從 SW 腳接往 GND,就是我們介紹過的,boost converter 中的開關電晶體。它藉由將電感接地來將來自輸入的能量儲存於電感裡。

另一顆 MOSFET 旁邊有一顆二極體跟它並聯在一起,這一顆二極體的位置就是原來整流二極體的位置。事實上它應該是這個 N-channel MOSFET 的 body diode,也就是隨著製程而來的、無可避免形成的一個由 drain 通往 source 的二極體。

但爲什麼要放一顆 N-channel MOSFET 在這裡,而不直接放個二極體來整流就好呢?

爲了效率。

我們知道任何二極體都會有順向電壓 VFOWARD,隨著製程不同,這個順向電壓從 0.2 V 到 0.7 V 都有可能,而這個電壓乘上流過二極體的電流,就是二極體上的能量損耗。對於用電池的小型電子裝置來說,任何額外的功耗免則免,因此 TLV61220 設計了一種叫做「同步整流」(synchronous rectification)的機制,在原來二極體整流電路的地方。

使用二極體整流時,二極體的導通與否純粹由兩側的電壓差來決定:當電感在放電時,二極體處在順向偏壓,它就會導通;當電感在充電時,二極體處於逆向偏壓,它就不導通。

因爲電感的充放電是由開關電晶體來決定的,所以我們其實知道電感什麼時候充電、什麼時候放電,因此我們可以用控制開關電晶體的同一個訊號,將它反過來,控制另一顆 MOSFET,就可以用另一顆 MOSFET 來整流;換句話說,當開關電晶體導通、電感充電時,整流電晶體就不導通;當開關電晶體關閉、電感放電時,整流電晶體就導通。這兩顆電晶體同步利用同一個訊號的不同極性來運作,因此叫做「同步整流」。

利用 MOSFET 來整流的好處就是 MOSFET 沒有 VFOWARD 壓降。MOSFET 導通時,drain 到 source 之間會像是一個電阻性的元件,而這個電阻就是 RDS(On),它的大小由 MOSFET 的大小來決定,越大顆的 MOSFET,RDS(On)就越小,導通時的損失就越低,而二極體不管多大顆,它上面的 VFOWARD 壓降仍然免不了。

因此在追求效率的 boost converter 上,常常可以看到這種利用 MOSFET 取代整流二極體的同步整流電路,爲的就是要避免整流二極體上的額外損耗。

我們將電感、開關電晶體、同步整流電晶體的相對關係重新畫一下,就會變成剛剛前面看到的,boost converter 的電路:

(圖片來源:Bird 提供)

整理過後的電路圖,兩顆電晶體一上一下,因此也有人將開關電晶體稱爲 low-side 的電晶體,將整流電晶體稱爲 high-side 的電晶體,而控制電路就負責輪流切換 high-side 和 low-side 電晶體的導通,並控制 duty cycle,來控制輸出的電壓。

小結

這一次我們以 TI 的 TLV61220 爲例,說明了比較現代的交換式電源 boost converter IC 的運作原理、介紹了以整流電晶體取代整流二極體的「同步整流」電路,並解釋同步整流電路優於二極體整流的好處。

下一回我們要再回到 MC34063 上,看看當 IC 內部的開關電晶體不夠大、無法承受我們需要的電流時,要如何利用外加的開關電晶體來設計功率更大的 boost converter。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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2 Comments

  1. Hi Bird,

    每次看您的文章都很感動, 可以盡快出下一集嗎?
    真正厲害的人, 就是有辦法把複雜的電路運作原理 講的很簡單, 謝謝您

    David Ko

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