【MakerPRO 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 8

作者:Bird 

在上一回【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 7,我們介紹了利用外部更大更有力的電晶體來取代 MC34063A 內部的開關電晶體,來構成 boost 電路,也介紹了用 MC34063A 驅動 MOSFET 當作開關電晶體的方法。

這一回會是我們介紹 boost converter 的最終回,我們要挑戰一個可以產生超過 100 V 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。

設計目標

這次的設計目標是要做一個可以用來點亮輝光管(nixie tube)的高壓電源。輝光管是一種用來當作顯示裝置的真空管,在 LED 發明之前,它是主要的顯示裝置。

(圖片來源:Bird 提供)

輝光管的運作原理跟氖燈很像,它們都是氣體放電管,不過輝光管內部通常有很多個形狀不同的陰極,只要加上足夠高的電壓,陰極上會有電子飛出來,撞擊管內低壓氣體的原子,使它們被激發而發光。輝光管的陰極不需要加熱,純粹靠材料特性與高壓產生的電場就能讓電子飛出來,因此它是屬於冷陰極(cold cathode)的真空管裝置。

輝光管活躍的年代大概在 1960 年代以前,LED 出現後它就沒有舞臺了,因此現存的輝光管幾乎都是上個世紀中留下來的舊貨,現在也不太可能還有人在製造新的輝光管。中國曾經生產過不少輝光管,因此現在淘寶上還買得到許多中國製造的管子。

(圖片來源:Bird 提供)

我們甚至可以找到一些顯示特定中文字的中國製輝光管。

要讓輝光管亮起來,大概需要 180 V 左右的電壓,而和所有的氣體放電燈管一樣,輝光管也有「負電阻」效應,也就是它的電阻會隨著電壓的上升而下降。對於這樣的裝置,如果我們用一個電壓源來驅動它,它會暴走,因爲當它導通之後電阻下降,會繼續從電壓源抽取更多的電流,然後電阻再下降、電流再變得更大… 整個系統就失控了。

對於功率比較大的氣體放電管如日光燈管、氙氣燈管等裝置,我們通常會用定電流驅動裝置來限制它的電流,用來補償負電阻效應,但對於像輝光管這種功率很小的氣體放電管,其實用一顆限流電阻就可以達到這個目的,唯一需要注意的就是限流電阻上的功耗,必須控制在零件本身可以承受的合理範圍。

我們以 SZ-8 這個現在還算好買的輝光管爲例,根據它的 datasheet,點亮它需要的電源參數是:

電壓:170 V
電流:2 mA
限流電阻:20 KΩ

假設我們以 12 V 爲輸入,效率 70% 來估計,這個電源的設計目標就是:

輸出:170 V/2 mA
輸出功率:170 V * 0.002 A = 340 mW
輸入功率: 340 mW / 0.7 = 485 mW
輸入電流:0.485 W / 12 V = 40 mA

這樣的條件對 MC34063A 來說,並不是很困難的目標。

零件數值計算

我們用上一回最後介紹的 MOSFET 電路來設計。首先,要決定回授電壓控制的電阻值。

從 12 V 升壓到 170 V,升壓的倍數是 14 倍。我們之前講過,boost converter 的升壓倍數與它 on/off 的 duty cycle D 有關:

VOUT/VIN= 1 / 1 – D

而由於 D 在上面那個式子的分母,如果我們把 D 跟升壓比畫成圖會是這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

可以看出來當 D 超過 0.9,也就是升壓比超過 10 以上之後,D 只要變動一點點,升壓倍數就會變動很大,這會對回授控制電路的穩定性造成不好的影響。以我們這次需要的升壓倍率 14 倍來說,差不多就是 MC34063A 可以穩定工作的極限,雖然大部分的文件會告訴你 MC34063A 不能設計超過 10 倍的升壓比,但如果犧牲一點點的系統穩定性,也就是不要求輸出電壓真的要非常準的話,15 倍大概還是可以接受的倍率。

MC34063 的回授電壓 VBF 是 1.25 V,所以回授分壓電路的比率就是 1.25 / 170 = 0.00735294。我們可以用 330 K、2.4 K 分壓來達成這個比例:

(圖片來源:Bird 提供)

這時的輸出電壓會是:

VOUT = 1.25 / 2.4 * (330 + 2.4) = 173.125(V)

這個電路中,有幾個零件的耐壓需要特別注意。首先是 MOSFET。因爲我們設計的輸出電壓高達 170 V,當 MOSFET 關閉時,它的 D-S 之間就要承受 170 V 的電壓,因此 MOSFET 本人的 D-S 耐壓一定要大於這個電壓,再加上一點餘裕。

圖中選用的 IRF840 是一顆蠻常用的高耐壓 power MOSFET,它的 VDS 耐壓可以到 500 V,對於 170 V 的任務來說綽綽有餘。它在室溫下可以承受 8 A 的 電流,以這次的設計來說也是殺雞用牛刀。

C2 是輸出的濾波電容,由於我們產生的電源是用來點亮輝光管,其實對電源上的漣波不是真的非常在意,只要管子亮起來的時候看起來不要閃就可以了,而且輝光管的電流只有 2 mA,因此這裡並不需要太大的濾波電容,只要這個電容夠讓回授電路穩定就可以。不過一樣要注意耐壓,它至少要能承受輸出電壓。

D1 是整流二極體,它一樣需要承受高壓。當電感處在充電週期、MOSFET 的 D-S 導通時,D1 會處在逆偏壓狀態,它兩端的電壓差就是輸出電壓 170 V。我們選了 FR10x 系列的高壓整流二極體,FR104 可以耐到 400 V,這個以上的零件就可以了。圖中的 FR107 甚至可以耐到 1000 V。

接下來要決定電感了。在這個 15 倍升壓比的電路中,電感充電和放電的時間比例就是 14:1,也就是在每一個週期中,有 14/15 的時間,電感處於被充電的狀態,另外 1/14 的時間才是在放電,另外我們之前也說過,MC34063A 的工作頻率不高,在 100 KHz 以下。綜合以上兩點:這麼長的充電時間、加上不是很快的切換速度,一定需要一顆很大的電感才耐得住而不會飽和;我們在這裡選用 2.2 nF 的 timing capacitor,換算出來的交換頻率在沒有因爲電感飽和而提前結束充電的前提下,大概是 20 KHz 左右。

我們需要一個大概 10000 uH,也就是 10 mH 左右的電感來擔任這個儲能的工作,這是一個很大的電感。所幸,拜現在鐵芯材料進步所賜,繞在甜甜圈型鐵芯上的環形電感可以輕易在很小的體積內做到這個感值。

(圖片來源:Bird 提供)

圖中的這個電感就是 10 mH 的環形電感,跟旁邊 TO-220 包裝的 IRF840 比較起來,可以看出它的大小。至於電感的耐電流,由於我們的輸出電流只有 2 mA,輸入電流也只有數十個 mA,其實電感上的峰值電流大概才數百個 mA,因此用這個尺寸的環形電感也算是殺雞用牛刀。

最後,圖中的 D2、Q2、R1 就是我們上次說過的,爲了幫助 MOSFET Q1 快速關閉、避免停留在線性區而增加的零件,加上這三個零件可以很明顯地改善 IRF840 上切換的效率。

挑戰更高的倍率

我們剛剛的設計是以 12 V 爲輸入。如果我們想用 USB 的 VBUS 5 V 來供電,能不能也用這個電路來產生高壓,點亮輝光管呢?

如果要從 5 V 升壓到 170 V,升壓比就變成:170 / 5 = 34 倍

這個倍率其實已經讓 MC34063 工作在不太穩定的範圍了。不過如果你硬是要做的話,它仍然會動。但有一個零件需要更換:MOSFET。

因爲大部分的 power MOSFET 設計的 Vth 都是以 10 V 爲參考,IRF840 也不例外。當我們把輸入電壓降到 5 V 時,雖然 MC34063A 仍然可以正常工作(MC34063A 最低工作電壓是 3 V),但它輸出用來驅動 IRF840 的電壓也只剩下 5 V,這會讓 IRF840 沒辦法完全導通,使得電路不工作或是工作在非常沒有效率的區間。

因此我們需要一顆用 5 V 的 gate 電壓就可以打開的 MOSFET。

在工業標準的 MOSFET 編號中,凡是字尾有 L 的,多半都說這種可以用較低 gate 電壓驅動的 MOSFET。這個「L」的意思是 logic,也就是代表這是可以用 5 V 邏輯電壓直接驅動的 MOSFET。IRF840 剛好有這麼一個表弟叫做 IRF840L,根據 datasheet:

(圖片來源:Bird 提供)

它只要最低 2 V的的 VGS,D-S 就會開始導通。

因此如果我們要用 5 V 來驅動這個電路,MOSFET 一定要更換成可以用 5 V gate 電壓驅動的版本。

倍壓整流

最後我想要提一下倍壓整流電路,這是一個可以幫助升壓轉換器打出更高電壓的電路。

(圖片來源:Bird 提供)

我們用同樣的電路,但在電感之後多加兩顆二極體和兩個電容器,總共用了三顆二極體、三顆電容器,可以構成「倍壓整流」的電路。

這個電路工作的原理跟 charge pump 有點像,它們都是利用交流訊號極性會反轉的特性,讓電荷儲存在電容器中,再把電容器串聯起來得到兩倍三倍四倍甚至更高的電壓。不過 charge pump 需要額外的開關元件來控制,而倍壓整流則是利用交流輸入本身極性就會反轉的特性,搭配二極體構成整流電路來巧妙達成。

以上面這個電路來說,經過了倍壓整流電路,A 點的 RMS 電壓就會是 B 點的兩倍。換句話說,如果我們需要 170 V 的輸出,前面的 boost 電路只需要把 B 點的 RMS 電壓打到 85 V,就可以讓回授電路拿到 170 V 的電壓,因爲回授電路的輸入接在 A 點。

從 5 V 升壓到 85 V 的倍率只有 17 倍,遠比剛剛的 34 倍要輕鬆得多,MC34063A 也可以工作在比較穩定的控制區間。

因此,當我們真的需要很高的升壓比時,適當的搭配倍壓整流電路,可以讓 boost converter 工作得更好。而且倍壓整流電路可以串接:串兩級就是 4 倍、串三級就是 8 倍。我曾經用類似的電路產生出讓蓋格計數管工作需要的 500 V 左右電源。

小結

這一回是我們聊 boost converter 的最終回,我們介紹了一個可以從 12 V 升壓到 170 V,可以用來作爲輝光管電源的電路,並介紹了如果需要更高的升壓比,或是更低的輸入電壓時,有哪些需要注意的事。我們也簡單提了倍壓整流電路供讀者參考。

下一回我們要開始介紹用來降壓的 buck converter 了,其實 buck converter 的原理與 boost converter 相差不大,如果讀者們已經熟悉 boost converter,一定可以很快了解降壓電路的運作原理。

(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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