作者：Bird
上一回【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 9，我們開始討論 buck converter 的電路原理：利用電感儲能時的串聯壓降，可以得到比輸入電壓低的輸出電壓。這一回我們要來看看如何控制這個電路的輸出電壓。
電壓與工作週期 #
根據上次的說明，我們知道 buck converter 和 boost converter 一樣，它們都是動態工作的電路，交換開關 SW1 必須不斷在導通、斷開之間切換，讓能量反覆儲存在電感 L1 中，或是從 L1 中釋放出來。
（圖片來源：Bird 提供）
（圖片來源：Bird 提供）
SW1 導通和斷開的時間都不能太長。導通時間太長的話會造成電感飽和，電感一旦飽和，就無法再儲存更多的能量，導致電感失去電感的特性，變成一個只有很小電阻的元件，流過它的電流就會突然增大；而 SW1 斷開時間太長的話，當電感裡儲存的能量釋放完後，就不會再有電流經過 D1 流過迴路，這時就沒有輸出了。
至於 buck converter 的輸出電壓有多低，比輸入的電壓低多少，一樣是由 SW1 導通和斷開之間的時間比例來決定的。這個公式是：
VOUT /VIN= D
D =TON/ T
D 叫做 SW1 的 duty cycle，中國大陸翻譯成「佔空比」，台灣則比較常用「工作週期」這個翻譯，它指的是 SW1 導通的時間佔整個切換時間的比例，因此也可以寫成：
D = TON / TON + TOFF
由於 D 不可能大於 1，所以根據上面的公式，輸出電壓只會小於輸入電壓。
從上面的式子來看，我們也知道降壓比和工作週期之間是線性的關係：
（圖片來源：Bird 提供）
Boost converter 的電壓公式，因爲 D 在分母，所以圖畫出來是個雙曲線，但 buck converter 的電壓公式中，D 與降壓比呈線性的關係，因此不管 D 在哪一個區間，D 的變化量與降壓比的變化量都會呈線性的關係，所以說 buck converter 無論在哪個降壓比，控制的穩定性都差不多。
穩壓控制 #
如同其它我們已經聊過很多的電源系統一樣，這裡的 buck converter 也是的「穩壓」電壓：它會不斷地監控輸出電壓，並調控電路的運作，讓輸出的電壓維持恆定，無論負載是大還是小。
而知道輸出電壓與 duty cycle 之間的關係之後，就可以設計控制電路了。
（圖片來源：Bird 提供）
我們將 SW1 換成一個可以用電路控制開關的電晶體，然後再設計一個電壓偵測與控制電路。
當我們偵測到輸出電壓比目標的電壓高時，就要把 SW1 切換的 duty cycle 調小；當我們發現輸出的電壓比目標的電壓低時，就要把 SW1 切換的 duty cycle 調大。如此如此周而復始，就可以將輸出的電壓穩定在一定的範圍。
又是 MC34063A #
我們之前在介紹 boost cconverter 時，曾經用 MC34063A 這顆歷久彌新的交換式電源 IC 來示範 boost converter的設計；同樣地，buck converter 也可以用 MC34063A 來設計。
我們先來複習一下 MC34063A 內部的結構：
（圖片來源：Bird 提供）
M34063A 裡面有一個可以用電容器控制頻率的振盪器、一個 1.25V 的參考電壓源、電壓比較器，以及最重要的：將電壓比較器的輸出與振盪器產生的時脈結合產生控制訊號的邏輯。
如果我們把 MC34063A 內部的功能畫在 buck converter 的電路上，就會是這樣：
（圖片來源：Bird 提供）
爲什麼同樣的控制電路，既可以用在 boost converter 上，也可以用在 buck converter 上呢？我們再來比較一下 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，因此儘管控制的曲線不太一樣（boost converter 是雙曲線、buck converter 是直線），它們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」。
其實從電路運作的原理來看，這個結果是必然的，因爲不管 buck converter 還是 boost converter，在 TON 時都是將輸入的能量儲存在電感中，而在 TOFF 時釋放能量；TON 佔整體週期的時間越長，相對來說儲存在電感中的能量就越多，輸出的電壓當然就越高。
MC34063A 裡面就是用一個震盪電路、一組電壓比較器來實現這個邏輯。震盪電路持續產生切換 SW1 所需要的方波，而電壓比較器則持續將經過分壓之後的輸出電壓與參考電壓 1.25V 比較。如果輸出電壓小於參考電壓，就讓振盪器的輸出脈波通過，去驅動開關電晶體；如果輸出電壓大於參考電壓，就休兵一下，不要讓振盪器的脈波送往開關電晶體。
至於詳細的 MC34063A 的震盪電路、電壓比較器以及控制邏輯的工作原理，在介紹 boost converter 時已經說明過，在此就不再贅述。沒有跟上的讀者可以回去翻一下本系列的第三回。
小結 #
這一回我們看了 buck converter 的 duty cycle 與輸入、輸出電壓之間的關係，以及讓 MC34063A 再度登場，並比較了 buck converter 與 boost converter 在控制上的諸多相似之處。下一回，我們要繼續用 MC34063A 來設計 buck converter 電路。
（責任編輯：賴佩萱）
