【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 11

作者:Bird

上一篇文章【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 10,我們看了 buck converter 的 duty cycle 與輸入、輸出電壓之間的關係,並比較了 buck converter 與 boost converter 在控制上的諸多相似之處。這一回,我們會繼續用 MC34063A 來設計一個實際的 buck converter 電路。

設計目標

我們這次設計的目標,是要用 MC34063 做出一個 12 V 輸入,5 V 爲輸出的降壓電路,這樣的規格其實就是很常見的車用點菸器 USB 電源。我們希望最大的輸出電流要能夠供應到 500 mA,這樣至少可以符合最低的 USB 5 V 供電標準。根據能量守恆定律,如果 5 V 輸出要有 500 mA,在效率 100% 的狀況下,12 V 輸入的電流就要有 5(V)* 500(mA)/ 12(V)= 208.3(mA)。

Buck converter 的輸入電流一定小於輸出電流,因爲在能量守恆的前提下,電壓降低,電流就會變大,而由於交換式電源的轉換效率不可能達到 100%,所以實際上的輸入電流會比 208.3 mA 還要大。

電路

我們先來看利用 MC34063A 設計 buck converter 的電路:

(圖片來源:Bird 提供)

乍看之下這個電路跟 MC34063 的 boost 電路還真的有幾分相似。沒錯,我們上一回比較過 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。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」。

MC34063A 裡面的控制電路負責的就是這個邏輯,然後用這個邏輯產生出來的結果去切換它裡面那顆電晶體,至於那顆電晶體要如何和外部的電源、電感、二極體,以及其它零件相互連接,就是我們的事了,MC34063A 不管這個。

(圖片來源:Bird 提供)

於是我們只要照著前幾回介紹的 buck 電路設計,再將 MC34063A 的電晶體放到 SW1 的位置,它就變成了一個 buck 電路,甚至 MC34063A 還可以用來做出所謂的 inverting regulator,用來產生負的電壓。之後如果有機會的話我們再介紹 inverting regulator,現在我們先搞定 buck converter。

有了電路之後,我們就要來決定零件的數值了。之前介紹 boost converter 時,我們介紹過 Nomad 的 MC34063A 線上設計工具,這次我們仍然要繼續使用這個工具來決定零件數值。

線上設計工具

我們一樣來到 Nomad 的網站,打開 MC34063A 的線上設計工具,並在左側的輸入欄位輸入以下參數:

Vin:12 V
Vout: 5 V
Iout: 500 mA
Vripple: 100 mV
Fmin: 50 KHz

(圖片來源:Bird 提供)

按下「Calculate」按鈕後,它就會給我們計算結果:

(圖片來源:Bird 提供)

我們先來檢視一下有沒有不合理的零件數值。

根據我們設定的最小震盪頻率 50 KHz,它算出來的時脈電容器 Ct 是 379 pF,但在 E24 series 的零件數值中沒有這個值,最接近的值是 390 pF,而在這個頻率下,最小可用的電感值是 57 uH,同樣我們也要看一下 E24 series 的數字,因爲電感可大不可小,所以我們在 E24 series 中只能選擇比 57 uH 更大的下一級數字:63 uH。

很剛好的是,用來控制電壓的回授分壓電阻剛好是 1 K 和 3 K 的整數。這是因爲我們要的輸出電壓 5 V 剛好是 MC34063A 內部參考電壓的整數倍 4 倍,所以分壓電路剛好是個 1/4 的分壓電路。

我們剛剛在調整時脈電容器餓零件數值時,將它從 379 pF 增加到 390 pF,這個改變會讓 MC34063A 的最低震盪頻率比我們設計的頻率低一點。當交換頻率降低時,爲了避免電感飽和,所需要的最小交換電感的感值就需要增加,幸好我們在設定電感數值時,也因爲 E24 series 沒有剛好的數字,而將電感的值從 57 uH 增加到 63 uH。

從 379 pF 變到 390 pF 的誤差是(390-379)/ 379 = 2.9 %,而從 57 uH 增加到 63 uH 的誤差是(63-57) / 57 =10%,雖然 Ct 對頻率的影響不是完全線性的,但很顯然我們增加電感的比例遠大於頻率降低的比例,因此這樣的零件數值改動是安全的。

我們剛剛很隨意地選了一個交換頻率 50 KHz,這是因爲 MC34063A 可以工作的最大交換頻率是 100 KHz,而它「舒服」的工作頻率大概落在 20 KHz-80 KHz 之間。一般我們在設計 MC34063A 的電路時,會先把交換頻率設在 50 KHz,然後看看算出來的電感數值是否符合我們的零件採購需求,如果實務上我們需要比它算出來的值更小的電感(也許是因爲電路板面積的限制或電流的限制),這時我們就可以試著將交換頻率往上調。

交換頻率往上調之後,所需要的最小電感數值就會降低,但代價就是更大的切換損失,也就是 MC34063A 裡面的電晶體會有比較多的時間停留在線性區而造成發熱,使得電路的效率降低。

電源電路的設計就是有這許許多多的 trade-off,我們常常要先決定某個零件數值,也許用猜的,也許根據經驗,也許就直接抓容許值的一半,然後在試算過後,根據其它零件的數值需求或限制,再回頭去調整它,因爲很多的零件數值都是一個卡一個,我們很難在這樣的電路設計中一步到位,一次決定所有的零件數值,這就是所謂的「設計迭代」(design iteration)。

小結

這一回我們看了用 MC34063A 設計的 buck converter 電路,也再次利用 Nomad 的線上設計工具幫我們決定零件數值,下一回我們會用比較現代的 buck converter IC 來設計降壓電路。

(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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