上一篇文章我們看了 buck converter 的 duty cycle 與輸入、輸出電壓之間的關(guān)系，并比較了 buck converter 與 boost converter 在控制上的諸多相似之處。這一回，我們會(huì)繼續(xù)用 MC34063A 來設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的 buck converter 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) 12 V 輸入，5 V 為輸出的降壓電路，這樣的規(guī)格其實(shí)就是很常見的車用點(diǎn)煙器 USB 電源。我們希望最大的輸出電流要能夠供應(yīng)到 500 mA，這樣至少可以符合最低的 USB 5 V 供電標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)能量守恒定律，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 的輸入電流一定小于輸出電流，因?yàn)樵谀芰渴睾愕那疤嵯拢妷航档停娏骶蜁?huì)變大，而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 208.3 mA 還要大。

電路

我們先來看利用 MC34063A 設(shè)計(jì) buck converter 的電路：

乍看之下這個(gè)電路跟 MC34063 的 boost 電路還真的有幾分相似。沒錯(cuò)，我們上一回比較過 boost converter 和 buck converter 的電壓控制公式：

Boostconverter: VOUT / VIN = 1 / (1 – D)

Buckconverter: 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(guān)，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(diào)大一點(diǎn)；如果電壓太高，就將 D 調(diào)小一點(diǎn)」。

MC34063A 里面的控制電路負(fù)責(zé)的就是這個(gè)邏輯，然后用這個(gè)邏輯產(chǎn)生出來的結(jié)果去切換它里面那顆晶體管，至于那顆晶體管要如何和外部的電源、電感、二極管，以及其它零件相互連接，就是我們的事了，MC34063A 不管這個(gè)。

于是我們只要照著前幾回介紹的 buck 電路設(shè)計(jì)，再將 MC34063A 的晶體管放到 SW1 的位置，它就變成了一個(gè)buck 電路，甚至 MC34063A 還可以用來做出所謂的 inverting regulator，用來產(chǎn)生負(fù)的電壓。之后如果有機(jī)會(huì)的話我們?cè)俳榻B inverting regulator，現(xiàn)在我們先搞定 buck converter。

有了電路之后，我們就要來決定零件的數(shù)值了。之前介紹 boost converter 時(shí)，我們介紹過 Nomad 的 MC34063A 在線設(shè)計(jì)工具，這次我們?nèi)匀灰^續(xù)使用這個(gè)工具來決定零件數(shù)值。

在線設(shè)計(jì)工具

我們一樣來到 Nomad 的網(wǎng)站，打開 MC34063A 的在線設(shè)計(jì)工具，并在左側(cè)的輸入字段輸入以下參數(shù)：

Vin:12V

Vout:5 V

Iout:500 mA

Vripple:100 mV

Fmin:50 KHz

按下「Calculate」按鈕后，它就會(huì)給我們計(jì)算結(jié)果：

我們先來檢視一下有沒有不合理的零件數(shù)值。

根據(jù)我們?cè)O(shè)定的最小震蕩頻率 50 KHz，它算出來的頻率電容器 Ct 是 379 pF，但在 E24 series 的零件數(shù)值中沒有這個(gè)值，最接近的值是 390 pF，而在這個(gè)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(shù)字，因?yàn)殡姼锌纱蟛豢尚。晕覀冊(cè)?E24 series 中只能選擇比 57 uH 更大的下一級(jí)數(shù)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(shù)。這是因?yàn)槲覀円妮敵鲭妷?5 V 剛好是 MC34063A 內(nèi)部參考電壓的整數(shù)倍 4 倍，所以分壓電路剛好是個(gè) 1/4 的分壓電路。

我們剛剛在調(diào)整頻率電容器餓零件數(shù)值時(shí)，將它從 379 pF 增加到 390 pF，這個(gè)改變會(huì)讓 MC34063A 的最低震蕩頻率比我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率低一點(diǎn)。當(dāng)交換頻率降低時(shí)，為了避免電感飽和，所需要的最小交換電感的感值就需要增加，幸好我們?cè)谠O(shè)定電感數(shù)值時(shí)，也因?yàn)?E24 series 沒有剛好的數(shù)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(duì)頻率的影響不是完全線性的，但很顯然我們?cè)黾与姼械谋壤h(yuǎn)大于頻率降低的比例，因此這樣的零件數(shù)值改動(dòng)是安全的。

我們剛剛很隨意地選了一個(gè)交換頻率 50 KHz，這是因?yàn)?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?cè)谠O(shè)計(jì) MC34063A 的電路時(shí)，會(huì)先把交換頻率設(shè)在 50 KHz，然后看看算出來的電感數(shù)值是否符合我們的零件采購需求，如果實(shí)務(wù)上我們需要比它算出來的值更小的電感（也許是因?yàn)殡娐钒迕娣e的限制或電流的限制），這時(shí)我們就可以試著將交換頻率往上調(diào)。

交換頻率往上調(diào)之后，所需要的最小電感數(shù)值就會(huì)降低，但代價(jià)就是更大的切換損失，也就是 MC34063A 里面的晶體管會(huì)有比較多的時(shí)間停留在線性區(qū)而造成發(fā)熱，使得電路的效率降低。

電源電路的設(shè)計(jì)就是有這許許多多的 trade-off，我們常常要先決定某個(gè)零件數(shù)值，也許用猜的，也許根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，也許就直接抓容許值的一半，然后在試算過后，根據(jù)其它零件的數(shù)值需求或限制，再回頭去調(diào)整它，因?yàn)楹芏嗟牧慵?shù)值都是一個(gè)卡一個(gè)，我們很難在這樣的電路設(shè)計(jì)中一步到位，一次決定所有的零件數(shù)值，這就是所謂的「設(shè)計(jì)迭代」（design iteration）。

小結(jié)

這一回我們看了用 MC34063A 設(shè)計(jì)的 buck converter 電路，也再次利用 Nomad 的在線設(shè)計(jì)工具幫我們決定零件數(shù)值，下一回我們會(huì)用比較現(xiàn)代的 buck converter IC 來設(shè)計(jì)降壓電路。

編輯：黃飛

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