漫談交換式電源的原理與設(shè)計(jì)

上一回我們以 MC34063A 的實(shí)際電路說(shuō)明了電路中各個(gè)零件的功能，并簡(jiǎn)單介紹了設(shè)計(jì)這樣的電路時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程的各種迭代與考慮。這一回我們要來(lái)實(shí)際算出一個(gè)可以工作的電路。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

我們這次設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是要用 MC34063 做出一個(gè)以 3.6 V 單顆鋰電池為輸入，5 V 為輸出的升壓電路。我們希望最大的輸出電流要能夠供應(yīng)到 300 mA。根據(jù)能量守恒定律，如果 5 V 輸出要有 300 mA，在效率 100% 的狀況下，3.6 V 輸入的電流就要有 5（V）* 300（mA）/ 3.6（V）= 416 mA

但由于交換式電源的轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到 100%，所以實(shí)際上的輸入電流會(huì)比 416 mA 還要大。

上圖是我們上次介紹過(guò)的，典型的 MC34063 升壓電路。接下來(lái)我們就要來(lái)決定電路中的各個(gè)零件數(shù)值。

在線設(shè)計(jì)工具

MC34063 是一顆上市已久且廣泛使用的交換式電源 IC，因此網(wǎng)絡(luò)上可以找到非常多的設(shè)計(jì)資料，也有很多在線的設(shè)計(jì)工具可以幫助我們決定零件數(shù)值。這次我們要做的是 boost converter，你只要在搜索引擎中打「MC34063 boost calculator」或是「MC34063 boostdesign tool」，就可以找到一大堆網(wǎng)頁(yè)可以幫助你在線做計(jì)算。除了網(wǎng)頁(yè)版的工具外，也可以找到一些脫機(jī)的設(shè)計(jì)工具可以下載。

我們接下來(lái)就以

這個(gè)設(shè)計(jì)在線設(shè)計(jì)工具為范例，來(lái)完成這個(gè)電路。

打開(kāi)這個(gè)網(wǎng)址，你會(huì)看到這樣的畫(huà)面：

這個(gè)網(wǎng)站是一個(gè)叫 Madis Kaal 的愛(ài)沙尼亞人所維護(hù)的，他的正職雖然是軟件工程師，但其實(shí)也是個(gè)硬件技術(shù)的愛(ài)好者，他的網(wǎng)站上有很多跟硬件相關(guān)的題目可以參考，而這個(gè) MC34063 的設(shè)計(jì)工具就是他的網(wǎng)站上很常被使用的工具之一。

這個(gè)設(shè)計(jì)工具用起來(lái)其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要在左上角的輸入?yún)^(qū)打入需要的設(shè)計(jì)參數(shù)，再按下「Calculate」按鈕，設(shè)計(jì)的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)在下方的框框里。

剛進(jìn)入網(wǎng)頁(yè)時(shí)，畫(huà)面上的參考電路并不是 boost converter，而是降壓用的 buck converter，不過(guò)這個(gè)工具會(huì)自動(dòng)根據(jù)我們鍵入的輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，而自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)的電路圖。

我們?cè)谳斎胱侄捂I入以下參數(shù)：

Vin：3.6 V

Vout：5 V

Iout：300 mA

Vripple：先空著不填

Fmin：50 kHz

按下 Calculate 按鈕之后，畫(huà)面上就會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，右邊的參考電路圖也會(huì)跟著變?yōu)?boost converter 的電路。

我們上次有提過(guò)電感大小與交換頻率之間的關(guān)系：頻率越高，就可以用越小的電感；但頻率越高，交換損失會(huì)越大，而且 MC3463 的最高交換頻率只到 100 KHz。

一般我們用 MC34063 設(shè)計(jì) boost 電路時(shí)，交換頻率大概會(huì)設(shè)定在 20 KHz 到 80 KHz 之間，這算是 MC34063 用起來(lái)比較「舒服」的交換頻率區(qū)間。以這個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們先設(shè)定交換頻率為 50 KHz，設(shè)計(jì)工具就會(huì)利用輸入、輸出之間的電壓比例以及交換頻率，計(jì)算出最小所需要的電感值。

根據(jù)上面算出來(lái)的結(jié)果，最小所需要的電感值是 21 uH。我們上次有說(shuō)過(guò)，交換式電源只有「最小」電感值，在這個(gè)值以上你愛(ài)用多大就用多大，不過(guò)用太大只是浪費(fèi)而已。

如果算出來(lái)的最小電感值很大，大到零件選用上有困難，這時(shí)我們就需要提高交換頻率，利用損失一點(diǎn)效率來(lái)?yè)Q取電感的大小。不過(guò)以目前的試算來(lái)看，21 uH 是一個(gè)還算合理的數(shù)值。一般的工型或環(huán)形繞線電感，在 100 uH 以下都是很容易取得的零件。

選擇電感時(shí)，除了感值之外，另一個(gè)需要注意的參數(shù)是電感的耐電流。上面的試算幫我們算出了 Ipk 峰值電流這個(gè)數(shù)字，這就是這個(gè)電路在切換的周期中，流過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管的最大電流。由于電感跟開(kāi)關(guān)晶體管是串聯(lián)在一起的，因此晶體管上的峰值電流也就是電感上的峰值電流。

以上面的試算來(lái)看，峰值電流是 1.015 A。我們?cè)谶x擇電感時(shí)，就要找感值 21 uH 以上，最大電流 1.015 A 以上的零件。

電感組件的選擇

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，我們看看電感供貨商 Coilcraft 的 RFB1010 系列。這是直徑為 11 mm 的插件型繞線電感，根據(jù)它網(wǎng)站上的資料，它 22 uH 型號(hào)的飽和電流為 4100 mA，因此這個(gè)型號(hào)可以用在上面那個(gè)電路。

當(dāng)然我們也可以用更大感值的型號(hào)，如 27 uH 或是甚至 47 uH 的。一般來(lái)說(shuō)，隨著感值的增加，繞線所需要的線長(zhǎng)就會(huì)增加，因此電感上的 DC 電阻也會(huì)跟著增加，交換電路在電感上的損耗就會(huì)隨之增加，所以我們并不傾向用大于最低感值太多的電感。

MC34063 內(nèi)部的開(kāi)關(guān)晶體管最大可以承受 1.5 A 的電流，因此在不使用外部開(kāi)關(guān)組件的前提下，電感上的電流應(yīng)該也不能超過(guò) 1.5 A。

決定了電感后，再來(lái)看其它的零件。Ct 是用來(lái)決定交換頻率的 timing capacitor，設(shè)計(jì)工具會(huì)自動(dòng)根據(jù)我們?cè)O(shè)定的交換頻率算出 Ct 的值，以上面這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果要震出 50 kHz 的頻率，Ct 就要用 327 pF。不過(guò)呢，除非你去找電容廠商訂制，一般來(lái)說(shuō)我們買(mǎi)不到 327 pF 這種數(shù)值的電容器。

E-series 數(shù)列

大部分的被動(dòng)組件數(shù)值都遵循一個(gè)叫做 E-series 從優(yōu)數(shù)的數(shù)列。最常用的 E-series 是 E-24，所謂 E-24 就是它把零件的數(shù)值從 1 到 10 之間分割為 24 個(gè)數(shù)字，因此 E-24 序列就是：

「1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1」

因此我們買(mǎi)電阻的時(shí)候，有 430 ohm、4.3 K、4.7 K、5.1 K 的電阻，但不會(huì)有 5 K 的電阻。電容器也是一樣的狀況，在 E-24 系列的電容器里，你可以買(mǎi)到 300 pF、330 pF 的電容，但是不會(huì)有 327 pF 的電容，甚至在精度更高的 E-92 或是 E-192 序列中，也沒(méi)有 327 這個(gè)數(shù)字，最接近的值是 E-192 系列的 328 pF。

使用設(shè)計(jì)輔助工具時(shí)，我們常常會(huì)遇到這種算出來(lái)但是買(mǎi)不到零件數(shù)字的狀況。這時(shí)候，我們可以挑選最接近可以買(mǎi)到的零件數(shù)字，再將它代回去計(jì)算，看看零件數(shù)值造成的誤差是否在可接受的范圍。

以上面的這個(gè)電容數(shù)值的差異來(lái)看，如果我們用 330 pF 取代 327 pF，容值的誤差是 3 pF，以比例來(lái)看就是 1%，這對(duì) 50 KHz 的交換頻率來(lái)說(shuō)誤差大概是 0.5 KHz，而由于 330 pF 比 327 pF 大，因此頻率會(huì)往較低的方向偏移。

當(dāng)交換頻率比預(yù)期低時(shí)，我們就要考慮電感會(huì)飽和的可能性，不過(guò)由于頻率只偏低 1%，而如果我們用 22 uH 的電感取代原來(lái)計(jì)算出來(lái)的最小電感值 21 uH，電感比預(yù)期的值增加的比例會(huì)是 1/21 = 4.7% 左右，所以電感值的變大一定可以補(bǔ)償這個(gè)頻率偏移。

至于決定輸出電壓的兩個(gè)分壓電阻，我們運(yùn)氣很好，計(jì)算出來(lái)的兩個(gè)零件數(shù)值 1 K? 和 3 K? 都是 E-24 series 中有的數(shù)值，因此可以調(diào)出剛剛好的輸出電壓。其實(shí)這是一個(gè)美麗的巧合造成的：MC34063 的電壓比較器內(nèi)部參考電壓是 1.25 V，剛好是 5 V 的四分之一，所以利用一比三的電阻值剛剛好可以做出四分之一的分壓電路。

Madis Kaal 的這個(gè)設(shè)計(jì)工具其實(shí)很貼心，它在計(jì)算分壓電阻時(shí)，會(huì)自動(dòng)從 E-24 series 的數(shù)字中選擇 R1 和 R2 的數(shù)值，并告訴你最后計(jì)算出來(lái)的電壓。有興趣的讀者可以試著將輸出電壓改成 12 V：

它會(huì)算出 R1 要用 1.5 K?、R2 要用 13 K?，而在這樣的組合下，設(shè)定出來(lái)的輸出電壓會(huì)是 12.08 V，不過(guò)這個(gè)電路是沒(méi)辦法運(yùn)作的，因?yàn)樵谄渌鼦l件不變的前提下，如果要把 3.6 V 升到 12 V，又要有 300 mA 的輸出電流，電感和晶體管上的峰值電流 Ipk 會(huì)高達(dá) 2631 mA，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) MC34063 可以應(yīng)付的 1.5 A 甚多。

這個(gè)設(shè)計(jì)工具也會(huì)自動(dòng)根據(jù) Ipk 幫我們計(jì)算 MC34063 的電流偵測(cè)電阻 Rsc，以避免電感或晶體管上的峰值電流超過(guò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。Rsc 算出來(lái)的值不會(huì)從 E-24 series 中挑選，因此我們也需要像決定 timing capacitor 一樣，回頭去試算一下。

設(shè)計(jì)迭代

至于剛剛我們省略沒(méi)填的 Vripple，意思是我們預(yù)期輸出的最大漣波電壓，這個(gè)電壓會(huì)由輸出電容器 Co 來(lái)決定，越大的輸出電容可以造出越平滑、漣波越小的輸出，但這之間的關(guān)系并不是線性的，而且由于交換式電源的特性，你不可能造出完全沒(méi)有漣波的輸出。MC34063 的交換頻率以現(xiàn)在的技術(shù)來(lái)說(shuō)又是相對(duì)低的，對(duì)它輸出漣波電壓更不利。

我們?cè)囍谠瓉?lái)的設(shè)計(jì)參數(shù)中輸入 10 mV 的漣波電壓限制，看看輸出電容器 Co 要放多大才能達(dá)到 10 mV 的漣波電壓：

如果要達(dá)到 10 mV 的漣波電壓，需要放一顆 2209 uF 的輸出電容，這時(shí)一顆很大、很大、很大的電容器，大到不切實(shí)際。如果我們將 Vripple 改為 100 mV，輸出電容就只需要 221 uF，這個(gè)數(shù)字就變得比較合理，雖然 220 uF 的電容器仍然蠻大一顆的。

如果我們希望降低輸出漣波，但又沒(méi)辦法放這么大的電容器時(shí)，該怎么辦呢？這時(shí)我們可以增加交換頻率，因?yàn)闈i波的成因是 boost converter 在充電、放電的過(guò)程中電流不連續(xù)造成的，我們用輸出電容當(dāng)作一個(gè)小水庫(kù)來(lái)緩沖這個(gè)不連續(xù)。如果增加交換頻率，電流不連續(xù)的周期時(shí)間就可以縮短，相對(duì)來(lái)說(shuō)漣波就會(huì)變小。

我們?cè)囍?Vripple = 100 mV 的前提下把交換頻率增加到 80 kHz：

在 80 KHz 的交換頻率下，要達(dá)到 100 mV 的漣波電壓只需要 138 uF 的輸出電容，明顯比剛剛小很多，而且在這個(gè)工作頻率下，所需要的最小電感值也降到 13 uH，似乎是一舉兩得。不過(guò)對(duì) MC34063 來(lái)說(shuō)，要在 80 kHz 的交換頻率下工作，它其實(shí)已經(jīng)有點(diǎn)吃力了，主要的原因我們上一回有說(shuō)過(guò)：它里面的開(kāi)關(guān)晶體管并不是非常快的組件，工作頻率越高，晶體管上的開(kāi)關(guān)損失就越大，整體電路的效率會(huì)越低。

如果這時(shí)候我們有個(gè)速度很快的開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)幫忙，是不是就可以做出交換頻率很高、漣波電壓很低，又可以使用很小顆電感的 boost 電源電路？沒(méi)錯(cuò)，這正是交換式電源 IC 的發(fā)展方向。

現(xiàn)今的交換式電源 IC 拜半導(dǎo)體制程進(jìn)步之賜，利用 MOSFET 做為開(kāi)關(guān)晶體管都可以工作到 1 MHz 以上的頻率，不僅可以使用很小顆的電感，電路的穩(wěn)壓反應(yīng)速度和輸出漣波電壓都可以有顯著的改善。

小結(jié)

這一回我們利用一個(gè)在線的設(shè)計(jì)工具示范了 MC34063 的設(shè)計(jì)及零件選用的過(guò)程，并示范了在不同特性之間取舍的設(shè)計(jì)迭代過(guò)程。我們?cè)谟?jì)算漣波電壓與輸出電容之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)交換頻率的增加對(duì)于改善輸出漣波以及減小電感這兩件事都有正面的影響，下一回我們就來(lái)看看，現(xiàn)今比較進(jìn)步的交換式電源 IC 在提高交換頻率到 1 MHz 以上時(shí)，可以做到什么程度。