上一篇我們介紹了 boost 升壓電路的工作原理、解釋了切換開(kāi)關(guān)的 duty cycle 如何影響輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，以及要做到穩(wěn)壓輸出時(shí)，回授電路該如何控制切換開(kāi)關(guān)。

這一回我們要來(lái)看一個(gè)用實(shí)際的交換式電源控制 IC 構(gòu)成的電路。

老兵不死

這次我們的主角是一顆編號(hào) MC34063A 的交換式電源 IC。這顆八只腳的 IC 非常古老，它的上一版 MC34063 最早大概在 1983 年左右就出現(xiàn)在 Motorola 半導(dǎo)體的 databook 中，而改版之后的 MC34063A 則大概在 1990 年左右出現(xiàn)。隨著 Motorla 半導(dǎo)體部門(mén)在 1999 年分割出去成為 ON Semiconductor，這顆 IC 的「正宗血統(tǒng)」也留存在 ON Semiconductor，如今我們?cè)?ON Semiconductor 的網(wǎng)站上仍然查得到這顆 IC，它的 datasheet 也持續(xù)在更新，可以說(shuō)是業(yè)界少數(shù)極為長(zhǎng)壽的 IC 之一。

這種已經(jīng)銷售多年的 IC 都會(huì)自然而然成為標(biāo)準(zhǔn)，除了原廠以外都會(huì)有其它許多的來(lái)源，現(xiàn)在除了 ON Semi，我們也可以買(mǎi)到來(lái)自 TI、Diodes，甚至臺(tái)灣 Richtek 所設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的 34063A。它們都是接腳兼容、特性兼容的替代產(chǎn)品。

MC34063A 是一顆整合度很高、彈性很大的交換式電源IC，搭配適當(dāng)?shù)耐獠苛慵梢宰龀錾龎河玫?boost 電路、降壓用的 buck 電路、或是電壓反向用的 inverting 電路。

MC34063A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

上圖是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它里面整合了一個(gè)振蕩器、一個(gè) 1.25 V 的參考電壓源、電壓比較器、交換式電源用的開(kāi)關(guān)晶體管以及控制開(kāi)關(guān)的邏輯電路。

我們上次提過(guò)，一個(gè)有穩(wěn)壓功能的 boost 電源電路大概是這樣的結(jié)構(gòu)：

而 MC34063A 里面除了包含了上圖中的電壓偵測(cè)、控制電路，再加贈(zèng)開(kāi)關(guān)晶體管。不過(guò)因?yàn)樵?MC34063A 誕生的那個(gè)年代，bipolar 仍然是半導(dǎo)體制程的主流，所以它里面的電路都是用 BJT 做成的，包括它的開(kāi)關(guān)晶體管也是兩顆 NPN 晶體管構(gòu)成的達(dá)靈頓電路。

如果我們?cè)賹?MC34063A 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)到上面的電路圖，就會(huì)變成這樣：

接下來(lái)我們就來(lái)一一說(shuō)明 MC34063 內(nèi)部的每個(gè)功能。

參考電壓源與比較器

MC34063A 內(nèi)部有一個(gè) 1.25 V 的 band gap 參考電壓源，可以提供一個(gè)精確、不隨溫度變化的參考電壓，就如同我們之前在介紹線性穩(wěn)壓電源時(shí)說(shuō)明過(guò)的參考電壓源一樣。

整個(gè)電源電路的輸出電壓 VOUT 經(jīng)過(guò) R2、R3 分壓之后，得到 VFB 回授電壓，這個(gè)電壓在 MC34063A 內(nèi)部利用回授電路的誤差比較器跟參考電壓比較之后，得到一個(gè)控制訊號(hào)。當(dāng) VFB 比參考電壓高時(shí)，誤差放大器的輸出會(huì)是 0，代表不需要提高電壓；當(dāng) VFB 比參考電壓低時(shí)，誤差發(fā)放大器的電壓會(huì)是 1，代表需要提高電壓。

如同線性穩(wěn)壓電源一樣，我們只要改變 R2、R3 的分壓比例，就可以從不同的目標(biāo)電壓產(chǎn)生 1.25 V 的 VFB，藉以調(diào)整整個(gè)電路的輸出電壓。

這個(gè)控制邏輯跟線性穩(wěn)壓電源的控制邏輯完全一樣，只是線性穩(wěn)壓電源的誤差放大器輸出經(jīng)過(guò)積分之后會(huì)直接拿去控制線性降壓的晶體管，但在交換式電源中，這個(gè)誤差放大器的訊號(hào)還要經(jīng)過(guò)震蕩電路和開(kāi)關(guān)控制的邏輯電路處理，才能產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)晶體管用的控制訊號(hào)。

振蕩器與控制邏輯

這個(gè)部分大概是 MC34063A 的運(yùn)作中最巧妙、也最難理解的部分。

首先，它有一個(gè)用電容器控制頻率的震蕩電路。這個(gè)震蕩電路會(huì)用 35 uA 的電流對(duì)一個(gè)接在 MC34063A 上的震蕩電容充電，因?yàn)槭嵌娏鞒潆?，所以電容上的電壓?huì)呈線性上升。當(dāng)電壓到達(dá) 1.25 V 時(shí)，震蕩電路就會(huì)開(kāi)始用 200 uA 的電流對(duì)電容放電，直到電容上的電壓低于 0.75 V，接著再重新開(kāi)始充電，如此周而復(fù)始。

因?yàn)槌潆姾头烹姷碾娏鞅壤蟾攀?1:6（35:200 差不多是 1:5.7），所以不論電容器的大小，電容器上充電和放電的時(shí)間比例差不多就是 6:1。如果電容器比較大，整個(gè)充放電的周期都會(huì)比較長(zhǎng)，震蕩的頻率就會(huì)比較低；如果電容器比較小，震蕩的頻率就會(huì)比較高。

根據(jù) MC34063A 的 datasheet，震蕩電容用 1 nF 的時(shí)候，震蕩頻率大概是 33 KHz，不過(guò)因?yàn)檫@個(gè)震蕩電路還有其它機(jī)制可以在電感飽和、電流過(guò)大時(shí)提早結(jié)束充電周期開(kāi)始放電，所以實(shí)際的周期可能會(huì)比較短短，震蕩頻率可能會(huì)比理論值高。

MC34063A 可以工作的震蕩頻率最高到 100 KHz，以現(xiàn)在的觀點(diǎn)來(lái)看，這個(gè)頻率其實(shí)很低。現(xiàn)在很多交換式電源 IC 的工作頻率都是 1 MHz 起跳。工作頻率跟電感的選擇有關(guān)，頻率高的交換式電源電路可以用感值較小的電感來(lái)工作，整體的零件成本和電路的體積都會(huì)比較小，但由于 MC34063A 誕生的那個(gè)年代，開(kāi)關(guān)晶體管不太容易用這么高的頻率運(yùn)作，它里面的回授和控制電路也沒(méi)辦法在這么高的頻率下穩(wěn)定工作，所以它的工作頻率上限被設(shè)定在 100 kHz，而大部分用它設(shè)計(jì)的電路實(shí)際工作頻率都更低。我們之后會(huì)再介紹現(xiàn)代的、高頻的交換式電源如何工作，現(xiàn)在還是先讓我們把這顆有古早味的 MC34063A 看完。

這個(gè)震蕩電路的輸出，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)邏輯電路，這個(gè)邏輯電路的另一個(gè)輸入則是前面說(shuō)過(guò)的參考電壓比較器的輸出。詳細(xì)的邏輯真值表和工作狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，但它的原理大致上就是：如果 VFB 比參考電壓低（所以比較器的輸出會(huì)是 1），就讓震蕩電路產(chǎn)生的脈波送往開(kāi)關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng) boost converter；如果 VFB 比參考電壓高（所以比較器的輸出會(huì)是 0），就不讓震蕩電路產(chǎn)生的脈波送往開(kāi)關(guān)電路，這時(shí) boost converter 就不工作。比較器的輸出就像個(gè)看門(mén)的人一樣，決定要不要讓振蕩器的輸出送到開(kāi)關(guān)晶體管，因此這個(gè)邏輯電路叫做 gating 電路。

電流偵測(cè)電路

MC34063A 還有一個(gè)電流偵測(cè)電路。它利用串聯(lián)在電感輸入路徑上的一個(gè)微小電阻偵測(cè)流向電感的電流。由于電阻上的壓降與流過(guò)電阻的電流呈正比，只要偵測(cè)電阻上的壓降就可以知道流過(guò)電阻的電流。

為什么要偵測(cè)電感上的電流呢？我們?cè)谇皫谆卣f(shuō)明 boost 電路的原理時(shí)說(shuō)過(guò)，電感利用磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量，但是我們不能無(wú)限制地對(duì)一個(gè)電感充電。當(dāng)一個(gè)電感上面的磁通量飽和、不能再增加時(shí)，我們說(shuō)這個(gè)電感「飽和」了，它不能再儲(chǔ)存更多的能量；而這時(shí)電感會(huì)搖身一變，變成一個(gè)電阻性的組件，而它的電阻就只剩下構(gòu)成電感的導(dǎo)線上的直流電阻，這個(gè)電阻通常非常小，因此如果我們用定電壓對(duì)一個(gè)電感充電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間電感飽和后，流過(guò)電感的電流就會(huì)突然爆增。

電感飽和在交換式電源的電路中是非常不好的事，因?yàn)檫@時(shí)的能量無(wú)法被儲(chǔ)存在電感中，而會(huì)在電感上造成發(fā)熱。理想的交換式電源設(shè)計(jì)要在電感的感值大小和交換頻率之間取得平衡；交換頻率越高，每個(gè)周期中對(duì)電感充電的時(shí)間就越短，就可以用比較小的電感，而不會(huì)讓電感飽和；交換頻率越低，每個(gè)周期中對(duì)電感充電的時(shí)間就越長(zhǎng)，為了避免電感飽和，就要用感值比較大的電感，這樣的電感體積、重量都會(huì)比較大。

MC34063A 利用這個(gè)電流偵測(cè)電路來(lái)控制振蕩器，避免電感飽和。當(dāng)電流偵測(cè)電路偵測(cè)到電阻上的壓差超過(guò) 330 mV 時(shí)，表示電流過(guò)大，電感已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)會(huì)啟動(dòng)另外一個(gè)充電電路，用極快的速度將震蕩控制電容器充電到 1.25 V，快速結(jié)束充電周期，開(kāi)始放電周期。

震蕩電路的輸出經(jīng)過(guò) gating logic 后，大致上是在充電周期時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)晶體管對(duì)電感充電、在放電周期時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)晶體管，不對(duì)電感充電，因此一旦電流偵測(cè)電路偵測(cè)到電流太大，就會(huì)停止對(duì)電感的充電，避免繼續(xù)讓過(guò)大的電流流入已經(jīng)飽和的電感。

但由于偵測(cè)電路仍然需要偵測(cè)到過(guò)大的電流才會(huì)觸發(fā)這個(gè)提早關(guān)閉開(kāi)關(guān)晶體管的機(jī)制，因此電感仍然會(huì)承受一小段時(shí)間的飽和，這對(duì)電路工作的整體效率來(lái)說(shuō)仍然是不好的，所以在零件選用時(shí)，我們還是傾向使用感值夠大的電感，確定它在這個(gè)電路的各種工作狀態(tài)中都不會(huì)飽和，避免觸發(fā)過(guò)電流保護(hù)。

小結(jié)

這回我們介紹了 MC34063A 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以及幾個(gè)主要區(qū)塊的功能。下一回我們要繼續(xù)介紹 MC34063A 的電路設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)時(shí)的各種考慮。

審核編輯：劉清