作者：Bird
上一篇文章【Maker 電子學】漫談交換式電源的原理與設計—PART 10，我們看了 buck converter 的 duty cycle 與輸入、輸出電壓之間的關係，並比較了 buck converter 與 boost converter 在控制上的諸多相似之處。這一回，我們會繼續用 MC34063A 來設計一個實際的 buck converter 電路。
設計目標 #
我們這次設計的目標，是要用 MC34063 做出一個 12 V 輸入，5 V 爲輸出的降壓電路，這樣的規格其實就是很常見的車用點菸器 USB 電源。我們希望最大的輸出電流要能夠供應到 500 mA，這樣至少可以符合最低的 USB 5 V 供電標準。根據能量守恆定律，如果 5 V 輸出要有 500 mA，在效率 100% 的狀況下，12 V 輸入的電流就要有 5（V）* 500（mA）/ 12（V）= 208.3（mA）。
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 208.3 mA 還要大。
電路 #
我們先來看利用 MC34063A 設計 buck converter 的電路：
（圖片來源：Bird 提供）
乍看之下這個電路跟 MC34063 的 boost 電路還真的有幾分相似。沒錯，我們上一回比較過 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。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」。
MC34063A 裡面的控制電路負責的就是這個邏輯，然後用這個邏輯產生出來的結果去切換它裡面那顆電晶體，至於那顆電晶體要如何和外部的電源、電感、二極體，以及其它零件相互連接，就是我們的事了，MC34063A 不管這個。
（圖片來源：Bird 提供）
於是我們只要照著前幾回介紹的 buck 電路設計，再將 MC34063A 的電晶體放到 SW1 的位置，它就變成了一個 buck 電路，甚至 MC34063A 還可以用來做出所謂的 inverting regulator，用來產生負的電壓。之後如果有機會的話我們再介紹 inverting regulator，現在我們先搞定 buck converter。
有了電路之後，我們就要來決定零件的數值了。之前介紹 boost converter 時，我們介紹過 Nomad 的 MC34063A 線上設計工具，這次我們仍然要繼續使用這個工具來決定零件數值。
線上設計工具 #
我們一樣來到 Nomad 的網站，打開 MC34063A 的線上設計工具，並在左側的輸入欄位輸入以下參數：
Vin:12 V
Vout: 5 V
Iout: 500 mA
Vripple: 100 mV
Fmin: 50 KHz
（圖片來源：Bird 提供）
按下「Calculate」按鈕後，它就會給我們計算結果：
（圖片來源：Bird 提供）
我們先來檢視一下有沒有不合理的零件數值。
根據我們設定的最小震盪頻率 50 KHz，它算出來的時脈電容器 Ct 是 379 pF，但在 E24 series 的零件數值中沒有這個值，最接近的值是 390 pF，而在這個頻率下，最小可用的電感值是 57 uH，同樣我們也要看一下 E24 series 的數字，因爲電感可大不可小，所以我們在 E24 series 中只能選擇比 57 uH 更大的下一級數字：63 uH。
很剛好的是，用來控制電壓的回授分壓電阻剛好是 1 K 和 3 K 的整數。這是因爲我們要的輸出電壓 5 V 剛好是 MC34063A 內部參考電壓的整數倍 4 倍，所以分壓電路剛好是個 1/4 的分壓電路。
我們剛剛在調整時脈電容器餓零件數值時，將它從 379 pF 增加到 390 pF，這個改變會讓 MC34063A 的最低震盪頻率比我們設計的頻率低一點。當交換頻率降低時，爲了避免電感飽和，所需要的最小交換電感的感值就需要增加，幸好我們在設定電感數值時，也因爲 E24 series 沒有剛好的數字，而將電感的值從 57 uH 增加到 63 uH。
從 379 pF 變到 390 pF 的誤差是（390-379）/ 379 = 2.9 %，而從 57 uH 增加到 63 uH 的誤差是（63-57） / 57 =10%，雖然 Ct 對頻率的影響不是完全線性的，但很顯然我們增加電感的比例遠大於頻率降低的比例，因此這樣的零件數值改動是安全的。
我們剛剛很隨意地選了一個交換頻率 50 KHz，這是因爲 MC34063A 可以工作的最大交換頻率是 100 KHz，而它「舒服」的工作頻率大概落在 20 KHz-80 KHz 之間。一般我們在設計 MC34063A 的電路時，會先把交換頻率設在 50 KHz，然後看看算出來的電感數值是否符合我們的零件採購需求，如果實務上我們需要比它算出來的值更小的電感（也許是因爲電路板面積的限制或電流的限制），這時我們就可以試著將交換頻率往上調。
交換頻率往上調之後，所需要的最小電感數值就會降低，但代價就是更大的切換損失，也就是 MC34063A 裡面的電晶體會有比較多的時間停留在線性區而造成發熱，使得電路的效率降低。
電源電路的設計就是有這許許多多的 trade-off，我們常常要先決定某個零件數值，也許用猜的，也許根據經驗，也許就直接抓容許值的一半，然後在試算過後，根據其它零件的數值需求或限制，再回頭去調整它，因爲很多的零件數值都是一個卡一個，我們很難在這樣的電路設計中一步到位，一次決定所有的零件數值，這就是所謂的「設計迭代」（design iteration）。
小結 #
這一回我們看了用 MC34063A 設計的 buck converter 電路，也再次利用 Nomad 的線上設計工具幫我們決定零件數值，下一回我們會用比較現代的 buck converter IC 來設計降壓電路。
（責任編輯：賴佩萱）
