上一回我們用 TI 的 TPS561201 爲例,示範了零件的選擇、WEBENCH 設計工具的使用,以及各種設計參數的取捨。這一回我們要繼續探討,當內建的開關電晶體不夠大時,要如何用 buck controller 搭配外部的開關元件來設計功率更大的 buck 電源電路。
我們之前在介紹 boost converter 時,是用 MC34063A 來示範用外部的開關電晶體來設計功率更大的電源電路,但這一次,我們要用 TI 的 IC 來設計。
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,不過既然我們這次要用外部的電晶體當作開關元件,我們希望輸出的電流可以更大,要可以到 3 A。
根據能量守恆定律,如果 5 V 輸出要有 3 A,在效率 100% 的狀況下,12 V 輸入的電流就要有 5(V)* 3(A)/ 12(V)= 1.25(A)。
這個電路的輸出功率是 5 V*3 A = 15 W。如果它的效率是 90% 的話,輸入的功率就是 15 W/0.9 = 16.67 W,而此時就會有大概 1.66 W 的能量損失在電源電路上,至於損失在哪裡,都有可能,最大宗的大概是開關電晶體上的導通損耗和切換損耗,再來是 flywheel 二極體上的順向導通損耗以及電感上的銅損、磁損等,還有輸入和濾波電容上因爲 ESR 造成的充放電損耗。
這些損失都發生在外部元件上,反而是控制開關電晶體的 buck controller IC 自己不會有太多的損耗,因此這種使用 buck controller IC 的散熱設計,主要會集中在外部的零件上。
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)
我們上次使用 converter 系列這種內建開關電晶體的 IC 來設計電源,外部元件極少,且受限於半導體製程及封裝的散熱能力,converter IC 設計出來的電源功率多半在 10 W 以下,因此今天我們要使用外置開關電晶體的 controller IC 來設計這個電路。
我們點進 buck controller 的頁面,在 Quick search 的輸入欄位中打入我們這次的設計參數:輸入最低 12 V,輸出 5 V,最高輸入電壓留空,表示我們可以接受 12 V 以上的輸入,而輸出電流也不填,這時網站會幫我們過濾出來有 134 顆 IC 符合這個條件。
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