【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 12

Posted By Liang Bird on 11 月 24, 2021 in Maker電子學, 交換式電源, 教學文 | 0 comments

上一回【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 11 中，我們用 MC34063A 搭配 Nomad 的線上設計工具幫我們決定零件數值，設計了一個降壓的電源電路。這一回我們要來用比較新的 buck converter IC 來設計電路。

設計目標

我們這次設計的目標，一樣是做出一個 12 V 輸入，5 V 爲輸出的降壓電路，不過這次我們希望輸出的電流要可以到 1000 mA。現在用 USB 充電的裝置至少都支援 1 A 以上的電流，有些有快速充電識別機制的裝置，甚至可以支援到 2 A 以上的電流，那既然今天要設計一個跟上時代的電路，電流就也要跟上時代。

根據能量守恆定律，如果 5 V 輸出要有 1000 mA，在效率 100% 的狀況下，12 V 輸入的電流就要有：

5（V）*1000（mA） / 12（V）= 416.6（mA）

我們上次說過，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 416.6 mA 還要大，至於會大多少，取決於零件的本事和設計者的功力。

一般來說，交換式電源在效率很好的甜蜜區間（sweet zone）時，90% 左右的效率算是個低標。如果要設計功率很大的交換式升降壓電源，效率就會變得很重要，因爲如果效率不是 100%，那部分與 100% 之間差距的能量，最後都會變成熱，這時你就得面對散熱的問題。

如果今天我們設計一個 1000 W 的電源電路，當它滿載運作時，如果效率只有 95%，就表示會有 1000*（100%-95%）= 50 W 的能量會變成，50 W 的熱如果發在 PCB 上，大概只能用主動散熱才能處理。

零件選用

這次我們一樣示範用 TI 的零件來設計這個電路。首先打開 TI 的網站，在「product」的頁面中選擇「Power Management」—「DC/DC switching regulators」，並在其中找到「Step-down（buck）regulators」。

（圖片來源：Bird 提供）

跟 boost 電路一樣，buck 電路也分成 converter 跟 controller 兩種。所謂 buck converter 就是內建了開關電晶體的 IC，因此不需要外加開關電晶體就可以工作，但還是得外加電感等外部元件；有些 buck converter 會附贈 flywheel 二極體在 IC 裡面，這樣就可以省下一個零件，而所謂 buck controller 就是不包含開關電晶體的 IC，它是用來「控制」開關電晶體工作的 IC。

TI 還有一個系列的產品線腳「power module」，它是利用 system in module 封裝的技術，將交換式電源所需要的被動元件如電感等都一起封裝在同一個元件中，因此只需要極少的外部元件就可以工作。Power module 雖然用起來方便，但它的封裝通常都是 QFN 或是 LGA 那種適合 SMT 自動化組裝的封裝，比較不適合我們 maker 的手工組裝專案，因此今天我們就不討論 Power module。

我們點進 buck converter 的頁面，在 Quck search 的輸入欄位中打入我們這次的設計參數：輸入 12 V，輸出 5 V/1 A，在我們一邊打時，它已經幫我們過濾出符合這個條件的零件有 25 個。