漫談交換式電源的原理與設(shè)計(jì)

上一篇我們以 TI 的 TLV61220 為例，說明了現(xiàn)代交換式電源 boost converter IC 的運(yùn)作方式，并介紹了以整流晶體管取代整流二極管的「同步整流」電路及其優(yōu)勢(shì)。

這次我們要再回到 MC34063A 上，看看當(dāng) IC 內(nèi)部的開關(guān)晶體管不夠大，無法承受需要的電流時(shí)，如何利用外加的開關(guān)晶體管來設(shè)計(jì)功率更大的 boost converter。

開關(guān)晶體管

我們稍早在介紹 MC34063A 時(shí)，有說過它里面內(nèi)建的開關(guān)晶體管是一個(gè)類似達(dá)靈頓對(duì)的結(jié)構(gòu)：

Q1 是主要用來負(fù)責(zé)承受切換電流的晶體管，它最大可以耐 1.5 A 的電流，這個(gè)電流也是流過電感上的最大電流。之所以是「最大」是因?yàn)榻粨Q式電源在工作時(shí)，流過電感上的電流是一直變化的：在充電周期中電流上升、在放電周期中電流下降。

如果我們需要一個(gè) boost converter，但根據(jù)輸出電壓電流、輸入電壓算出來后，發(fā)現(xiàn)開關(guān)晶體管上的尖峰電流超過 1.5 A，該怎么辦呢？

MC34063A 的設(shè)計(jì)很彈性，它把 Q1 的射極和集極都接出來了，因此我們可以利用 Q1 再去驅(qū)動(dòng)更大顆的晶體管，來承受更大的開關(guān)電流。

用 BJT 當(dāng)作外部晶體管

由于 MC34063A 是誕生在 BJT 雙極性接面晶體管的年代，它當(dāng)初設(shè)計(jì)的外部晶體管接法就是為 BJT 設(shè)計(jì)的。電路很簡(jiǎn)單，直接用 Q1 再去驅(qū)動(dòng)另一個(gè)更大的NPN 晶體管就可以了：

當(dāng)我們這樣接時(shí)，外面的這顆晶體管 Q3 就跟 MC34063A 里面的晶體管 Q1 變成一個(gè)真正的達(dá)靈頓驅(qū)動(dòng)對(duì)。

達(dá)靈頓電路的電流放大率非常高，因此 MC34063A 內(nèi)部的第一級(jí)驅(qū)動(dòng)晶體管可以用很小的電流就驅(qū)動(dòng)外部的大型開關(guān)晶體管，但達(dá)靈頓電路的最大缺點(diǎn)是它的飽和電壓比較大，因此即使電流放大率很高，最后一級(jí)晶體管的飽和電壓仍然會(huì)有差不多 0.6 V-0.7 V。事實(shí)上從另一個(gè)方向來解讀的話，達(dá)靈頓電路的最后一級(jí)晶體管無法達(dá)到真正的飽和狀態(tài)，它會(huì)被前一級(jí)的 VBE 所限制，所以 Q3 在工作時(shí)，即使開到最滿，它的 VCE 仍然有 0.6 V-0.7 V，這個(gè)電壓乘上流過 Q3 的電流，就是 Q3 上的功耗。

換句話說，雖然我們可以用 MC34063A 驅(qū)動(dòng)更大的晶體管來擔(dān)任開關(guān)的任務(wù)，但效率并沒有我們想象的好。而且達(dá)靈頓電路還有另一個(gè)缺點(diǎn)：因?yàn)?MC34063A 內(nèi)部的 Q1 只能提供電流來「打開」外部的 Q3，當(dāng) Q1 不輸出電流時(shí)，它無法「吸收」或「抑制」仍然留存在 Q3 基極接面上的電荷，只能等它們自己透過 Q3 的 B-E 接面消散掉，因此達(dá)靈頓電路的關(guān)閉速度會(huì)比開啟速度要慢得多。

為了解決這個(gè)問題，我們通常會(huì)加上一個(gè)數(shù)百 ? 左右的 R5，用來加速 Q3 的關(guān)閉。R5 的作用是當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，加速 Q3 基極上的電荷釋放，讓 Q3 盡速關(guān)閉，但當(dāng) Q1 打開時(shí)， R5 本人會(huì)變成 Q1 的負(fù)載，增加整體電路的功耗。

由于 Q3 無法真正進(jìn)入飽和區(qū)，它上面的功耗會(huì)隨著電流增加越來越大，使得用 NPN 晶體管搭配 MC34063A 設(shè)計(jì)更大功率的 boost converter 受到限制。

不過現(xiàn)在是 2021 年了，我們有更好的開關(guān)組件可以使用：MOSFET。雖然 MC34063A 并非設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng) MOSFET 作為開關(guān)組件，但經(jīng)過一些設(shè)計(jì)，我們還是可以讓這兩者一起工作。

用 MOSFET 當(dāng)作外部晶體管

最簡(jiǎn)單的方法就是用一顆 N-channel MOSFET 把上面電路中的 Q3 換掉，電路就會(huì)變成這樣：

使用 MOSFET 當(dāng)作開關(guān)組件的好處就是，MOSFET 是用電壓控制的開關(guān)組件，只要我們能將 MOSFET 的閘極驅(qū)動(dòng)到足夠的電壓，就能讓它飽和，而 MOSFET 飽和時(shí)，它 drain-source 之間的電阻非常小，很多大型、大功率的 MOSFET 甚至可以做到 RDS（ON）只有千分之一奧姆。

使用 NPN 晶體管時(shí)，即使不加 R5 電路也可以工作，只是晶體管關(guān)得慢一點(diǎn)、發(fā)熱多一點(diǎn)，但使用 N-channel MOSFET 時(shí)就不是這么一回事了。

MOSFET 的閘極是一個(gè)電容器，它雖然會(huì)漏電但漏得不多，你對(duì)它充電之后如果不把它放掉，它可以撐蠻長(zhǎng)的一段時(shí)間。

而 MC34063A 內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路 Q1 只有能力對(duì) MOSFET 的閘極充電，卻沒有將它放電的路徑。如果我們不加上 R5 的話，Q3 打開后會(huì)關(guān)不起來，只能等它自己的閘極漏電漏到讓自己關(guān)起來，而這個(gè)電路就只能用很慢很慢的速度運(yùn)作，完全不使用；加上 R5 后，當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，Q3 閘極上的電荷會(huì)由 R5 被導(dǎo)向地，讓 Q3 可以迅速被關(guān)閉，但這里一樣會(huì)有一個(gè)兩難的局面：R5 放太大，放電的速度就慢，Q3 的關(guān)閉速度會(huì)受到限制，效果不好，R5 放太小，它會(huì)變成 Q1 的負(fù)荷，當(dāng) Q1 驅(qū)動(dòng) Q3 的閘極時(shí)，同時(shí)也驅(qū)動(dòng) R5。

由于大功率的 MOSFET，閘極電容通常都很大，單靠一顆電阻要放掉閘極電容上積存的電荷讓 MOSFET 關(guān)閉不是件容易的事，所以這個(gè)電路有一個(gè)比較進(jìn)階的版本：主動(dòng)放電電路。

我們可以加上一顆 PNP 晶體管 Q4，當(dāng) MC34063 內(nèi)部的 Q1 導(dǎo)通時(shí)，Q4 是關(guān)閉的，而當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，Q4 會(huì)因?yàn)?MOSFET 閘極上的電荷藉由 Q4 的 B-E 接面流向 R5 放電而導(dǎo)通，進(jìn)一步讓 MOSFET 閘極上的電荷更快地由導(dǎo)通的 Q4 釋放掉。

這時(shí) Q4 就跟 MC34063A 內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)晶體管 Q1 連手形成一個(gè)所謂「push-pull」的驅(qū)動(dòng)電路。在電感充電的周期，Q1 負(fù)責(zé)對(duì) MOSFET 的閘極充電，是為「push」；在電感放電的周期，就由 Q4 負(fù)責(zé)將 MOSFET 閘極上的電荷放掉，是為「pull」。

使用 MOSFET 當(dāng)作 MC34063A 的外部開關(guān)晶體管時(shí)，要注意一個(gè)限制：N-channel MOSFET 導(dǎo)通的條件是 VGS 要超過某個(gè)特定的 threshold 電壓，稱之為 Vth。這個(gè)電壓對(duì)大部分的 MOSFET 來說 5 V – 10 V 不等，有些比較特殊的 MOSFET 可能專門設(shè)計(jì)來給低電壓的驅(qū)動(dòng)電路推，就會(huì)有比較低的 Vth。在 boost converter 的電路結(jié)構(gòu)中，由于開關(guān)晶體管有一端是接地的，當(dāng)我們用 N-channel MOSFET 取代 NPN 晶體管時(shí)，MOSFET 的 source 極剛好就是接地的那一極，因此我們可以輕易地將閘極的電壓推上 Vth，但在其它不同種類的交換式電源電路結(jié)構(gòu)中，開關(guān)晶體管不一定有一極是接地的，這時(shí)使用 MOSFET 當(dāng)作開關(guān)組件就要特別小心。我們之后介紹降壓的 buck converter 時(shí)，會(huì)再說明這一點(diǎn)。

小結(jié)

這一回我們說明了當(dāng) MC34063A 內(nèi)部的開關(guān)晶體管不夠大時(shí)，要如何搭配外部更大更有力的開關(guān)晶體管，來構(gòu)成 boost 電路，同樣的原理也可以用在許多其它沒有內(nèi)建開關(guān)晶體管的 boost controller IC。

下一回會(huì)是我們介紹 boost converter 的最終回，我們要挑戰(zhàn)一個(gè)可以產(chǎn)生超過 100V 電壓的 boost converter 電路，并說明如何搭配倍壓整流電路來讓 boost converter 更輕松。

審核編輯：湯梓紅

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