【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 13

作者:Bird

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。

(圖片來源:Bird 提供)

我們之所以不填輸出電流,是因爲這次我們要設計的是開關電晶體放在外部的 buck controller,因此輸出電流的大小主要是由開關電晶體的選用來決定的。電晶體越大顆、能承受的開關電流越大,整個設計的輸出電流就越大,不過 controller IC 多半有一些電流感應、控制、限制的附加設計,因此大部分的 buck controller IC 都會有輸出電流的限制。

我們來看看表中第一顆 IC:

(圖片來源:Bird 提供)

第一顆 IC 是 TPS53689,它的 Iout(max)高達 765 A,這時一個什麼樣的概念呢?它的輸出電壓最高是 5.5 V,如果我們用它來設計一個 5 V 的電源,這個電源的輸出功率就可以高達 765 A*5 V = 3825 W。嗯,你家牆上的 110 V 插座,單一插座最大也只能供應到 1650 W 呢。

下面有一顆 LM25148-Q1,它就沒有標示 Iout(max),標示這顆 IC 裡面沒有限制最大的輸出電流,你要多大的電流,就放足以支撐那個電流的電晶體,一顆不夠,就放一排。

當然,真的要設計那種數百瓦甚至上千瓦的 buck 電源,並不是這麼簡單,有非常多的細節要考慮。別的不說,光是效率差 1%,對於 3000 W 的電源來說就是 30 W 的散熱差距,更不用說零件的選用和實際電路的佈局都有許多要細究的地方。

回到我們這次的設計目標上,我們把限制條件的輸出電流改成 3 A,看看還剩下哪些 IC。

(圖片來源:Bird 提供)

嗯,剩下四顆,其實它們是同一顆 IC 的不同可靠度版本。一般的版本是 TPS40200,而 -EP 結尾的就是高可靠度系列的,它後面的紅字「Hi-Rel」就是「High Reliability」的意思,這種版本的 IC 通常會用在工控、惡劣環境下等不易維修或是維修成本很高的產品種;-Q1 結尾的版本則是車用的規格,車用的 IC 對可靠度的要求很高,尤其如果這顆 IC 被用在關鍵系統如 EPS(電子助力轉向系統)或 ABS 剎車控制系統等壞掉會出人命的地方時,更需要高可靠度,因此車用的 IC 會有一個獨立的規格標準;至於 -HT 的版本,則是可以在高溫下運作的產品,一般的半導體零件在 juntion temperature 125℃ 以上就沒辦法正常運作了,但 -HT 的 IC 可以在 200℃ 的 junction temperature 下正常運作。

這麼多 IC,我們到底該用哪一顆來設計我們需要的 buck converter 呢?其實我們也可以用上次介紹的設計工具 WEBENCH 來幫我們決定。

我們先打開 TI WEBENCH,再點選 DC/DC 的 start design:

(圖片來源:Bird 提供)

這時就會出現一個畫面讓我們輸入設計參數來過濾產品。

(圖片來源:Bird 提供)

我們先設定輸入電壓爲 11-15 V,輸出 5 V/3 A,其它還有很多設計參數可以調整,但這邊我們暫時先不管。按下畫面最下方的 VIEW DESIGNS 按鈕後,需要等一段時間,接著 WEBENCH 就會列出所有符合我們要求的 IC 以及參考電路圖。

(圖片來源:Bird 提供)

這一列出來不得了,居然有三百多個設計符合我們的要求。因爲 WEBENCH 的 DC/DC 包含了 converter、controller,甚至 power module 所有的類型,因此這裡面不只有我們要的 buck controller 設計,也有其它兩種。

沒關係,我們還可以繼續過濾。找到畫面左邊的「regulator type」有三個 check box,勾起「controller(external switch)」,就會只剩下使用外部開關電晶體的設計。

勾起來之後會剩下 48 個設計。接下來要怎麼挑呢?像上次一樣,我們可以用 IC 的封裝來過濾。因爲如果這是一個 maker 專案,我們希望設計打樣時可以手工組裝,因此 IC 最好是 TSSOP、SOT、SOIC 之類的封裝,而 QFN、SON 等不易或不能手工焊接的 IC 則儘量避免。

我們將左側的 filter 欄往下捲,捲到 IC package 欄位將它點開,勾選 SOIC,看看使用 SOIC 封裝的 IC 有哪些設計可以用。

(圖片來源:Bird 提供)

結果點下去後所有的設計都消失了,出現「Oops, you have filtered too far.」,在這麼多符合我們設定條件的 buck controller 設計中,竟然沒有一顆 IC 是 SOIC 包裝的,那這樣只好重設 filter,改選腳距比較細的 HVSSOP。

(圖片來源:Bird 提供)

這次剩下 5 個設計可以選擇,終於不再那麼難選了。

其實剩下來的 5 個設計,看得出來其實是同一個家族的 IC,有幾個是 LM25085 不同的版本,而有幾個是 LM5085。

我們前面講過,-Q1 結尾的 IC 是車用的規格,因此那兩個設計我們先不用考慮,當然如果今天你要做的是車用的高可靠度設計,你就要選那兩個。

我們就來看看使用 LM25085 的這個設計吧。

(圖片來源:Bird 提供)

LM25085 是一顆 8 支腳的 IC,如果有認真閱讀前幾回關於 buck converter 設計的讀者,對這個電路應該不陌生。電路中有開關電晶體 MOSFET M1、開關電感 L1、flywheel 二極體 D1、回授分壓電阻 Rfb1、Rfb2、輸入濾波電容 Cin 及輸出濾波電容 Cout 等。

我們上次也介紹過,WEBENCH 最強大的功能,就是提供電路設計的同時,它連零件都幫你選好了,每個零件點下去,都可以看到詳細的廠牌、型號、規格。

(圖片來源:Bird 提供)

如果你不喜歡這顆,點「CHOOSE ALTERNATE」,還可以看到更多的選擇。

除了我們熟悉的 buck converter 的零件外,LM25085 還需要一些額外的零件才能動作,最重要的是一個用來測量流過 MOSFET、電感上電流大小的電流感應電阻 Rsns。

(圖片來源:Bird 提供)

根據歐姆定律 V=IR,電阻上的壓降等於流過電阻的電流乘上電阻的大小。測量電流時我們多半不希望在測量時損失太多能量,因此測量電流用的電阻通常都很小,多小呢?以這個電路來說,Rsns 只有 10 mΩ,也就是 0.01 Ω,意味著每 1 A 的電流流過這個電阻,就會在上面產生 0.01 V 的電壓差,因此 LM25085 只要測量 Isen 接腳與 Vin 接腳之間的電壓差,就可以知道現在這個瞬間流過 MOSFET 的電流大小。

測量流過 MOSFET 的電流大小要用來幹嘛呢?以 buck converter 來說,通常是用來限制最大輸出電流。因爲 buck controller 的最大工作電流由外部電晶體的零件特性、能力來決定,因此到底多大的輸出電流對這個電路來說是「危險」 的,應要限制或是甚至 shutdown,則要我們告訴它,於是 LM25085 設計了另外一支腳 ADJ,在上面用一個電阻 Radj 來設定這個電路的限流,至於跟 Radj 並聯在一起的那個電容器 Cadj,其實是一個濾波電容,用來濾除 Radj 上的高頻雜訊,讓電流限制電路能更穩定工作。

由於 LM25085 的輸入電壓範圍非常廣,可以從 4.5 V 到 42 V,但 IC 內部的電路並不能用這麼寬廣的電源電壓來運作,因此它內部也有一個 linear regulator 用來產生 IC 內部工作所需要的穩定電源,而 regulator 需要一顆外部的濾波電容(就是接在 VCC 腳上的那個電容)。

至於 LM25085 的交換頻率,則是用一顆接在 RT 接腳上的電阻來設定。這顆電阻其實是用來控制 LM25085 內部的一個 on-time one-shot 電路,它用來決定每一次 MOSFET 導通、對電感充電要多少時間,至於 off-time,也就是電感放電的時間,則是由另一個內部的 one-shot 電路來負責控制,IC 內部的電壓控制電路會自動決定兩者的比例,也就是我們之前講過的那個公式:VOUT /VIN= D =TON/(TON + TOFF

RT 的電阻決定 TON,而輸出入電壓比決定 D,因此也就決定了交換頻率。LM25085 最高可以工作到差不多 1 MHz 的交換頻率,而 WEBENCH 幫我們設計出來的這個電路,它的交換頻率則是 564 KHz 左右,對 LM25085 來說會是一個「舒服」的工作頻率。

我們如果將畫面往下捲,還可以看到 WEBENCH 幫我們計算出來的,關於設電路的很多參數。

(圖片來源:Bird 提供)

像是 5 V 輸出時的 duty cycle 大概是 38%,交換頻率是 564 KHz 左右,電感以及 MOSFET 上的最大電流是 3.48 A,輸出的電壓漣波是 241.76 mV 等。如果你對這些規格不滿意,則可以再進一步去修改電路中的零件。

小結

這一回我們利用 TI 的 WEBENCH 幫我們選擇零件,介紹了使用外部電晶體的 buck controller 電路設計的方法,也簡單說明了設計的流程,下一回我們會補充一些 switching regulator 的其它知識。

(責任編輯:賴佩萱)

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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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