漫谈交换式电源的原理与设计

上一篇我们以 TI 的 TLV61220 为例，说明了现代交换式电源 boost converter IC 的运作方式，并介绍了以整流晶体管取代整流二极管的「同步整流」电路及其优势。

这次我们要再回到 MC34063A 上，看看当 IC 内部的开关晶体管不够大，无法承受需要的电流时，如何利用外加的开关晶体管来设计功率更大的 boost converter。

开关晶体管

我们稍早在介绍 MC34063A 时，有说过它里面内建的开关晶体管是一个类似达灵顿对的结构：

Q1 是主要用来负责承受切换电流的晶体管，它最大可以耐 1.5 A 的电流，这个电流也是流过电感上的最大电流。之所以是「最大」是因为交换式电源在工作时，流过电感上的电流是一直变化的：在充电周期中电流上升、在放电周期中电流下降。

如果我们需要一个 boost converter，但根据输出电压电流、输入电压算出来后，发现开关晶体管上的尖峰电流超过 1.5 A，该怎么办呢？

MC34063A 的设计很弹性，它把 Q1 的射极和集极都接出来了，因此我们可以利用 Q1 再去驱动更大颗的晶体管，来承受更大的开关电流。

用 BJT 当作外部晶体管

由于 MC34063A 是诞生在 BJT 双极性接面晶体管的年代，它当初设计的外部晶体管接法就是为 BJT 设计的。电路很简单，直接用 Q1 再去驱动另一个更大的NPN 晶体管就可以了：

当我们这样接时，外面的这颗晶体管 Q3 就跟 MC34063A 里面的晶体管 Q1 变成一个真正的达灵顿驱动对。

达灵顿电路的电流放大率非常高，因此 MC34063A 内部的第一级驱动晶体管可以用很小的电流就驱动外部的大型开关晶体管，但达灵顿电路的最大缺点是它的饱和电压比较大，因此即使电流放大率很高，最后一级晶体管的饱和电压仍然会有差不多 0.6 V-0.7 V。事实上从另一个方向来解读的话，达灵顿电路的最后一级晶体管无法达到真正的饱和状态，它会被前一级的 VBE 所限制，所以 Q3 在工作时，即使开到最满，它的 VCE 仍然有 0.6 V-0.7 V，这个电压乘上流过 Q3 的电流，就是 Q3 上的功耗。

换句话说，虽然我们可以用 MC34063A 驱动更大的晶体管来担任开关的任务，但效率并没有我们想象的好。而且达灵顿电路还有另一个缺点：因为 MC34063A 内部的 Q1 只能提供电流来「打开」外部的 Q3，当 Q1 不输出电流时，它无法「吸收」或「抑制」仍然留存在 Q3 基极接面上的电荷，只能等它们自己透过 Q3 的 B-E 接面消散掉，因此达灵顿电路的关闭速度会比开启速度要慢得多。

为了解决这个问题，我们通常会加上一个数百 Ω 左右的 R5，用来加速 Q3 的关闭。R5 的作用是当 Q1 关闭时，加速 Q3 基极上的电荷释放，让 Q3 尽速关闭，但当 Q1 打开时， R5 本人会变成 Q1 的负载，增加整体电路的功耗。

由于 Q3 无法真正进入饱和区，它上面的功耗会随着电流增加越来越大，使得用 NPN 晶体管搭配 MC34063A 设计更大功率的 boost converter 受到限制。

不过现在是 2021 年了，我们有更好的开关组件可以使用：MOSFET。虽然 MC34063A 并非设计来驱动 MOSFET 作为开关组件，但经过一些设计，我们还是可以让这两者一起工作。

用 MOSFET 当作外部晶体管

最简单的方法就是用一颗 N-channel MOSFET 把上面电路中的 Q3 换掉，电路就会变成这样：

使用 MOSFET 当作开关组件的好处就是，MOSFET 是用电压控制的开关组件，只要我们能将 MOSFET 的闸极驱动到足够的电压，就能让它饱和，而 MOSFET 饱和时，它 drain-source 之间的电阻非常小，很多大型、大功率的 MOSFET 甚至可以做到 RDS（ON）只有千分之一奥姆。

使用 NPN 晶体管时，即使不加 R5 电路也可以工作，只是晶体管关得慢一点、发热多一点，但使用 N-channel MOSFET 时就不是这么一回事了。

MOSFET 的闸极是一个电容器，它虽然会漏电但漏得不多，你对它充电之后如果不把它放掉，它可以撑蛮长的一段时间。

而 MC34063A 内部的驱动电路 Q1 只有能力对 MOSFET 的闸极充电，却没有将它放电的路径。如果我们不加上 R5 的话，Q3 打开后会关不起来，只能等它自己的闸极漏电漏到让自己关起来，而这个电路就只能用很慢很慢的速度运作，完全不使用；加上 R5 后，当 Q1 关闭时，Q3 闸极上的电荷会由 R5 被导向地，让 Q3 可以迅速被关闭，但这里一样会有一个两难的局面：R5 放太大，放电的速度就慢，Q3 的关闭速度会受到限制，效果不好，R5 放太小，它会变成 Q1 的负荷，当 Q1 驱动 Q3 的闸极时，同时也驱动 R5。

由于大功率的 MOSFET，闸极电容通常都很大，单靠一颗电阻要放掉闸极电容上积存的电荷让 MOSFET 关闭不是件容易的事，所以这个电路有一个比较进阶的版本：主动放电电路。

我们可以加上一颗 PNP 晶体管 Q4，当 MC34063 内部的 Q1 导通时，Q4 是关闭的，而当 Q1 关闭时，Q4 会因为 MOSFET 闸极上的电荷藉由 Q4 的 B-E 接面流向 R5 放电而导通，进一步让 MOSFET 闸极上的电荷更快地由导通的 Q4 释放掉。

这时 Q4 就跟 MC34063A 内部的驱动晶体管 Q1 连手形成一个所谓「push-pull」的驱动电路。在电感充电的周期，Q1 负责对 MOSFET 的闸极充电，是为「push」；在电感放电的周期，就由 Q4 负责将 MOSFET 闸极上的电荷放掉，是为「pull」。

使用 MOSFET 当作 MC34063A 的外部开关晶体管时，要注意一个限制：N-channel MOSFET 导通的条件是 VGS 要超过某个特定的 threshold 电压，称之为 Vth。这个电压对大部分的 MOSFET 来说 5 V – 10 V 不等，有些比较特殊的 MOSFET 可能专门设计来给低电压的驱动电路推，就会有比较低的 Vth。在 boost converter 的电路结构中，由于开关晶体管有一端是接地的，当我们用 N-channel MOSFET 取代 NPN 晶体管时，MOSFET 的 source 极刚好就是接地的那一极，因此我们可以轻易地将闸极的电压推上 Vth，但在其它不同种类的交换式电源电路结构中，开关晶体管不一定有一极是接地的，这时使用 MOSFET 当作开关组件就要特别小心。我们之后介绍降压的 buck converter 时，会再说明这一点。

小结

这一回我们说明了当 MC34063A 内部的开关晶体管不够大时，要如何搭配外部更大更有力的开关晶体管，来构成 boost 电路，同样的原理也可以用在许多其它没有内建开关晶体管的 boost controller IC。

下一回会是我们介绍 boost converter 的最终回，我们要挑战一个可以产生超过 100V 电压的 boost converter 电路，并说明如何搭配倍压整流电路来让 boost converter 更轻松。

审核编辑：汤梓红