【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 10

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 9,我們開始討論 buck converter 的電路原理:利用電感儲能時的串聯壓降,可以得到比輸入電壓低的輸出電壓。這一回我們要來看看如何控制這個電路的輸出電壓。

電壓與工作週期

根據上次的說明,我們知道 buck converter 和 boost converter 一樣,它們都是動態工作的電路,交換開關 SW1 必須不斷在導通、斷開之間切換,讓能量反覆儲存在電感 L1 中,或是從 L1 中釋放出來。

(圖片來源:Bird 提供)

(圖片來源:Bird 提供)

SW1 導通和斷開的時間都不能太長。導通時間太長的話會造成電感飽和,電感一旦飽和,就無法再儲存更多的能量,導致電感失去電感的特性,變成一個只有很小電阻的元件,流過它的電流就會突然增大;而 SW1 斷開時間太長的話,當電感裡儲存的能量釋放完後,就不會再有電流經過 D1 流過迴路,這時就沒有輸出了。

至於 buck converter 的輸出電壓有多低,比輸入的電壓低多少,一樣是由 SW1 導通和斷開之間的時間比例來決定的。這個公式是:

VOUT /VIN= D
D =TON/ T

D 叫做 SW1 的 duty cycle,中國大陸翻譯成「佔空比」,台灣則比較常用「工作週期」這個翻譯,它指的是 SW1 導通的時間佔整個切換時間的比例,因此也可以寫成:

D = TON / TON + TOFF

由於 D 不可能大於 1,所以根據上面的公式,輸出電壓只會小於輸入電壓。

從上面的式子來看,我們也知道降壓比和工作週期之間是線性的關係:

(圖片來源:Bird 提供)

Boost converter 的電壓公式,因爲 D 在分母,所以圖畫出來是個雙曲線,但 buck converter 的電壓公式中,D 與降壓比呈線性的關係,因此不管 D 在哪一個區間,D 的變化量與降壓比的變化量都會呈線性的關係,所以說 buck converter 無論在哪個降壓比,控制的穩定性都差不多。

穩壓控制

如同其它我們已經聊過很多的電源系統一樣,這裡的 buck converter 也是的「穩壓」電壓:它會不斷地監控輸出電壓,並調控電路的運作,讓輸出的電壓維持恆定,無論負載是大還是小。

而知道輸出電壓與 duty cycle 之間的關係之後,就可以設計控制電路了。

(圖片來源:Bird 提供)

我們將 SW1 換成一個可以用電路控制開關的電晶體,然後再設計一個電壓偵測與控制電路。

當我們偵測到輸出電壓比目標的電壓高時,就要把 SW1 切換的 duty cycle 調小;當我們發現輸出的電壓比目標的電壓低時,就要把 SW1 切換的 duty cycle 調大。如此如此周而復始,就可以將輸出的電壓穩定在一定的範圍。

又是 MC34063A

我們之前在介紹 boost cconverter 時,曾經用 MC34063A 這顆歷久彌新的交換式電源 IC 來示範 boost converter的設計;同樣地,buck converter 也可以用 MC34063A 來設計。

我們先來複習一下 MC34063A 內部的結構:

(圖片來源:Bird 提供)

M34063A 裡面有一個可以用電容器控制頻率的振盪器、一個 1.25V 的參考電壓源、電壓比較器,以及最重要的:將電壓比較器的輸出與振盪器產生的時脈結合產生控制訊號的邏輯。

如果我們把 MC34063A 內部的功能畫在 buck converter 的電路上,就會是這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

爲什麼同樣的控制電路,既可以用在 boost converter 上,也可以用在 buck converter 上呢?我們再來比較一下 boost converter 和 buck converter 的電壓控制公式:

Boost converter: VOUT /VIN= 1 / 1 – D
Buck converter: VOUT /VIN= D

在輸入電壓不變的前提下, 不管是 boost converter 還是 buck converter 的輸出電壓都與 D 呈正相關,也就是 D 越大,輸出電壓就越高,因此儘管控制的曲線不太一樣(boost converter 是雙曲線、buck converter 是直線),它們都可以用同樣的控制邏輯來控制,也就是「如果電壓太低,就將 D 調大一點;如果電壓太高,就將 D 調小一點」。

其實從電路運作的原理來看,這個結果是必然的,因爲不管 buck converter 還是 boost converter,在 TON 時都是將輸入的能量儲存在電感中,而在 TOFF 時釋放能量;TON 佔整體週期的時間越長,相對來說儲存在電感中的能量就越多,輸出的電壓當然就越高。

MC34063A 裡面就是用一個震盪電路、一組電壓比較器來實現這個邏輯。震盪電路持續產生切換 SW1 所需要的方波,而電壓比較器則持續將經過分壓之後的輸出電壓與參考電壓 1.25V 比較。如果輸出電壓小於參考電壓,就讓振盪器的輸出脈波通過,去驅動開關電晶體;如果輸出電壓大於參考電壓,就休兵一下,不要讓振盪器的脈波送往開關電晶體。

至於詳細的 MC34063A 的震盪電路、電壓比較器以及控制邏輯的工作原理,在介紹 boost converter 時已經說明過,在此就不再贅述。沒有跟上的讀者可以回去翻一下本系列的第三回

小結

這一回我們看了 buck converter 的 duty cycle 與輸入、輸出電壓之間的關係,以及讓 MC34063A 再度登場,並比較了 buck converter 與 boost converter 在控制上的諸多相似之處。下一回,我們要繼續用 MC34063A 來設計 buck converter 電路。

(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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