【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 13

Posted By Liang Bird on 12 月 14, 2021 in Maker電子學, 交換式電源, 教學文 | 0 comments

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。