【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 7

作者:Bird

上一篇【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 6,我們以 TI 的 TLV61220 爲例,說明了現代交換式電源 boost converter IC 的運作方式,並介紹了以整流電晶體取代整流二極體的「同步整流」電路及其優勢。

這次我們要再回到 MC34063A 上,看看當 IC 內部的開關電晶體不夠大,無法承受需要的電流時,如何利用外加的開關電晶體來設計功率更大的 boost converter。

開關電晶體

我們稍早在介紹 MC34063A 時,有說過它裡面內建的開關電晶體是一個類似達靈頓對的結構:

(圖片來源:Bird 提供)

Q1 是主要用來負責承受切換電流的電晶體,它最大可以耐 1.5 A 的電流,這個電流也是流過電感上的最大電流。之所以是 「最大」是因爲交換式電源在工作時,流過電感上的電流是一直變化的:在充電週期中電流上升、在放電週期中電流下降。

如果我們需要一個 boost converter,但根據輸出電壓電流、輸入電壓算出來後,發現開關電晶體上的尖峰電流超過 1.5 A,該怎麼辦呢?

MC34063A 的設計很彈性,它把 Q1 的射極和集極都接出來了,因此我們可以利用 Q1 再去驅動更大顆的電晶體,來承受更大的開關電流。

用 BJT 當作外部電晶體

由於 MC34063A 是誕生在 BJT 雙極性接面電晶體的年代,它當初設計的外部電晶體接法就是爲 BJT 設計的。電路很簡單,直接用 Q1 再去驅動另一個更大的 NPN 電晶體就可以了:

 

(圖片來源:Bird 提供)

當我們這樣接時,外面的這顆電晶體 Q3 就跟 MC34063A 裡面的電晶體 Q1 變成一個真正的達靈頓驅動對。

達靈頓電路的電流放大率非常高,因此 MC34063A 內部的第一級驅動電晶體可以用很小的電流就驅動外部的大型開關電晶體,但達靈頓電路的最大缺點是它的飽和電壓比較大,因此即使電流放大率很高,最後一級電晶體的飽和電壓仍然會有差不多 0.6 V-0.7 V。事實上從另一個方向來解讀的話,達靈頓電路的最後一級電晶體無法達到真正的飽和狀態,它會被前一級的 VBE 所限制,所以 Q3 在工作時,即使開到最滿,它的 VCE 仍然有 0.6 V-0.7 V,這個電壓乘上流過 Q3 的電流,就是 Q3 上的功耗。

換句話說,雖然我們可以用 MC34063A 驅動更大的電晶體來擔任開關的任務,但效率並沒有我們想像的好。而且達靈頓電路還有另一個缺點:因爲 MC34063A 內部的 Q1 只能提供電流來「打開」外部的 Q3,當 Q1 不輸出電流時,它無法「吸收」 或「抑制」仍然留存在 Q3 基極接面上的電荷,只能等它們自己透過 Q3 的 B-E 接面消散掉,因此達靈頓電路的關閉速度會比開啟速度要慢得多。

爲了解決這個問題,我們通常會加上一個數百 Ω 左右的 R5,用來加速 Q3 的關閉。R5 的作用是當 Q1 關閉時,加速 Q3 基極上的電荷釋放,讓 Q3 儘速關閉,但當 Q1 打開時, R5 本人會變成 Q1 的負載,增加整體電路的功耗。

由於 Q3 無法真正進入飽和區,它上面的功耗會隨著電流增加越來越大,使得用 NPN 電晶體搭配 MC34063A 設計更大功率的 boost converter 受到限制。

不過現在是 2021 年了,我們有更好的開關元件可以使用:MOSFET。雖然 MC34063A 並非設計來驅動 MOSFET 作為開關元件,但經過一些設計,我們還是可以讓這兩者一起工作。

用 MOSFET 當作外部電晶體

最簡單的方法就是用一顆 N-channel MOSFET 把上面電路中的 Q3 換掉,電路就會變成這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

使用 MOSFET 當作開關元件的好處就是,MOSFET 是用電壓控制的開關元件,只要我們能將 MOSFET 的閘極驅動到足夠的電壓,就能讓它飽和,而 MOSFET 飽和時,它 drain-source 之間的電阻非常小,很多大型、大功率的 MOSFET 甚至可以做到 RDS(ON)只有千分之一歐姆。

使用 NPN 電晶體時,即使不加 R5 電路也可以工作,只是電晶體關得慢一點、發熱多一點,但使用 N-channel MOSFET 時就不是這麼一回事了。

MOSFET 的閘極是一個電容器,它雖然會漏電但漏得不多,你對它充電之後如果不把它放掉,它可以撐蠻長的一段時間。

而 MC34063A 內部的驅動電路 Q1 只有能力對 MOSFET 的閘極充電,卻沒有將它放電的路徑。如果我們不加上 R5 的話,Q3 打開後會關不起來,只能等它自己的閘極漏電漏到讓自己關起來,而這個電路就只能用很慢很慢的速度運作,完全不使用;加上 R5 後,當 Q1 關閉時,Q3 閘極上的電荷會由 R5 被導向地,讓 Q3 可以迅速被關閉,但這裡一樣會有一個兩難的局面:R5 放太大,放電的速度就慢,Q3 的關閉速度會受到限制,效果不好,R5 放太小,它會變成 Q1 的負荷,當 Q1 驅動 Q3 的閘極時,同時也驅動 R5。

由於大功率的 MOSFET,閘極電容通常都很大,單靠一顆電阻要放掉閘極電容上積存的電荷讓 MOSFET 關閉不是件容易的事,所以這個電路有一個比較進階的版本:主動放電電路。

(圖片來源:Bird 提供)

我們可以加上一顆 PNP 電晶體 Q4,當 MC34063 內部的 Q1 導通時,Q4 是關閉的,而當 Q1 關閉時,Q4 會因爲 MOSFET 閘極上的電荷藉由 Q4 的 B-E 接面流向 R5 放電而導通,進一步讓 MOSFET 閘極上的電荷更快地由導通的 Q4 釋放掉。

這時 Q4 就跟 MC34063A 內部的驅動電晶體 Q1 聯手形成一個所謂「push-pull」的驅動電路。在電感充電的週期,Q1 負責對 MOSFET 的閘極充電,是爲「push」;在電感放電的週期,就由 Q4 負責將 MOSFET 閘極上的電荷放掉,是爲「pull」。

使用 MOSFET 當作 MC34063A 的外部開關電晶體時,要注意一個限制:N-channel MOSFET 導通的條件是 VGS 要超過某個特定的 threshold 電壓,稱之爲 Vth。這個電壓對大部分的 MOSFET 來說 5 V – 10 V 不等,有些比較特殊的 MOSFET 可能專門設計來給低電壓的驅動電路推,就會有比較低的 Vth。在 boost converter 的電路結構中,由於開關電晶體有一端是接地的,當我們用 N-channel MOSFET 取代 NPN 電晶體時,MOSFET 的 source 極剛好就是接地的那一極,因此我們可以輕易地將閘極的電壓推上 Vth,但在其它不同種類的交換式電源電路結構中,開關電晶體不一定有一極是接地的,這時使用 MOSFET 當作開關元件就要特別小心。我們之後介紹降壓的 buck converter 時,會再說明這一點。

小結

這一回我們說明了當 MC34063A 內部的開關電晶體不夠大時,要如何搭配外部更大更有力的開關電晶體,來構成 boost 電路,同樣的原理也可以用在許多其它沒有內建開關電晶體的 boost controller IC。

下一回會是我們介紹 boost converter 的最終回,我們要挑戰一個可以產生超過 100V 電壓的 boost converter 電路,並說明如何搭配倍壓整流電路來讓 boost converter 更輕鬆。

(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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1 Comment

  1. 每次看到大大出了新文章都會迫不及待的想拜讀一下,
    期待您的最終回, 謝謝

    PS: 開關電晶體的 “打開” 改成 “導通” 似乎比較好理解
    相同的”關掉” 改成 “斷開” 呢?

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