瞭解切換式電源供應器設計的藝術與科學

我在 1975 年開始擔任電子工程師,第一個設計專案是 HP 9825A 桌上型電腦用的 HP 9878A I/O 擴充器。我當時負責這個專案所有的電子設計,並與 HP 負責本專案機械設計的工程師 Jerry Nichols 合作。

I/O 擴充器的概念與現今 USB 集線器類似,選定電腦某個 I/O 連接埠,然後將其「擴充」為幾個連接埠。HP 9878A I/O 擴充器的任務是將一個 I/O 插槽轉成七個。因為 I/O 卡的產品代號都是香料名,如香菜 (Parsley)、鼠尾草 (Sage) 及迷迭香 (Rosemary),因此 I/O 擴充器專案便順理成章被稱做香料櫃 (Spice Rack)。Spice Rack 在 1976 年推出 (圖 1)。

圖 1:HP 9878A I/O 擴充器 (大約在 1976 年推出) 在其 5 V、12 V 及 -12 V 版的電源供應器上,使用線性電源穩壓功能,因為切換式穩壓器設計當時仍然尚未成熟。(照片來源:Steve Leibson)

這項設計工作的一部份,涉及到插入擴充器七個插槽的 I/O 卡用電源供應器。每張卡最多都會耗用 I/O 插槽 5 V 穩壓電軌的 500 mA 電流,且耗用 12 V 及 -12 V 穩壓電軌最多 100 mA 電流。因此,此 I/O 擴充器中的電源供應器需要在 5 V 下供應 3.5 A 的電流 (外加 I/O 擴充器內部電路所需的 5 V 供應電流),並為 12 與 -12 V 穩壓電源供應器提供最多 700 mA 的電流。

透過使用當時最新的 µA7812µA7912 三端子穩壓器,就能輕易滿足 HP 9878A 的 12 V 電源供應器需求,但是若要為 5 V 穩壓電源供應器選擇穩壓器就不容易了,因為電源供應器需要將近 4 A 的供應電流。在簡單調查後,我選擇了 µA723 可調式穩壓器 IC,此 IC 使用十引腳 TO-5 封裝,這需要使用幾個額外的支援元件,以及納入大型 TO-3 封裝的外接 2N3055 NPN 功率電晶體。

題外話:Bob Widlar 這位傳奇人物在 1967 年發明了 µA723 可調式穩壓器 IC,經實證相當耐用。如同 Widlar 的許多類比 IC 設計,µA723 穩壓器即便在今日仍然廣受歡迎。對於已推出半世紀的 IC 來說,這表現還算不錯。

三端子穩壓器及 2N3055 功率電晶體以螺栓鎖在鋁面板上,而面板則穩固地接至 HP 9878A 的鑄鋁底盤以作散熱之用,而板式安裝的 µA723 可調式穩壓器則有一片小型扣入式散熱片。對這種設計來說,散熱一直都不是問題。

即便 µA7812 及 µA7912 三端子穩壓器已有將近 45 年的歷史,如今仍可能是適合的產品,但我現在已經不再選擇 µA723 可調式穩壓器及外部 2N3055 NPN 開關電晶體了。為了將多餘的廢熱量降到最低,HP 9878A 的電源供應器設計需要使用客製化繞線電力變壓器,以便讓未穩壓的 DC 電軌只稍微高於穩壓的 5 V 電軌。由於當時 HP 擁有自己的變壓器廠,因此客製化繞線電力變壓器的製作輕而易舉。現在的情形已經改觀了:同樣的這個專案,我不會再使用線性電源供應器進行設計。

在 1975 年,切換式電源供應器仍是新興設計。事實上,這種設計工作不僅是一種科學,更像是一項藝術;當時切換式電源供應器設計可用的 IC 相當稀少,其實根本就沒有。現今的科學已有大幅進展,市面上已有多款切換式穩壓器是以 IC 的形式提供,但我仍認為,設計出好用且可靠的切換式電源供應器,仍然是一項藝術。無論是哪種藝術,藝術家首先都要學習規則。只有先了解規則,才能打破成規,取得優勢。

有很多資源可以協助您學習切換式電源供應器設計的藝術與科學。一些優質的資源包括 Texas Instruments (TI) 為其 Power Management Lab Kit (PMLK) 系列產品開發的評估套件及相關課程。這個系列包含:

這三項產品都個別包含評估板及教科書,涵蓋降壓與升壓切換式電源供應器的設計,以及低壓降穩壓器 (LDO)。即便是切換式電源供應器設計,也可能需要用到 LDO,以便從穩壓切換電源得到多種低電流穩壓供應電壓。

所有的 TI 教科書都包含採用評估板進行的實驗。在做過這三本 PMLK 實作書中所有的實驗後,您就會對電源供應器的科學原理有深入的瞭解。要是 45 年前就有這些資源多好。

關於作者

Image of Steve Leibson Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。
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