基于MC34063A的buck converter电路设计

上一篇文章我们看了 buck converter 的 duty cycle 与输入、输出电压之间的关系，并比较了 buck converter 与 boost converter 在控制上的诸多相似之处。这一回，我们会继续用 MC34063A 来设计一个实际的 buck converter 电路。

设计目标

我们这次设计的目标，是要用 MC34063 做出一个 12 V 输入，5 V 为输出的降压电路，这样的规格其实就是很常见的车用点烟器 USB 电源。我们希望最大的输出电流要能够供应到 500 mA，这样至少可以符合最低的 USB 5 V 供电标准。根据能量守恒定律，如果 5 V 输出要有 500 mA，在效率 100% 的状况下，12 V 输入的电流就要有 5（V）* 500（mA）/ 12（V）= 208.3（mA）。

Buck converter 的输入电流一定小于输出电流，因为在能量守恒的前提下，电压降低，电流就会变大，而由于交换式电源的转换效率不可能达到 100%，所以实际上的输入电流会比 208.3 mA 还要大。

电路

我们先来看利用 MC34063A 设计 buck converter 的电路：

乍看之下这个电路跟 MC34063 的 boost 电路还真的有几分相似。没错，我们上一回比较过 boost converter 和 buck converter 的电压控制公式：

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

Buckconverter: VOUT / VIN = D

在输入电压不变的前提下，不管是 boost converter 还是 buck converter 的输出电压都与 D 呈正相关，也就是 D 越大，输出电压就越高。都可以用同样的控制逻辑来控制，也就是「如果电压太低，就将 D 调大一点；如果电压太高，就将 D 调小一点」。

MC34063A 里面的控制电路负责的就是这个逻辑，然后用这个逻辑产生出来的结果去切换它里面那颗晶体管，至于那颗晶体管要如何和外部的电源、电感、二极管，以及其它零件相互连接，就是我们的事了，MC34063A 不管这个。

于是我们只要照着前几回介绍的 buck 电路设计，再将 MC34063A 的晶体管放到 SW1 的位置，它就变成了一个buck 电路，甚至 MC34063A 还可以用来做出所谓的 inverting regulator，用来产生负的电压。之后如果有机会的话我们再介绍 inverting regulator，现在我们先搞定 buck converter。

有了电路之后，我们就要来决定零件的数值了。之前介绍 boost converter 时，我们介绍过 Nomad 的 MC34063A 在线设计工具，这次我们仍然要继续使用这个工具来决定零件数值。

在线设计工具

我们一样来到 Nomad 的网站，打开 MC34063A 的在线设计工具，并在左侧的输入字段输入以下参数：

Vin:12V

Vout:5 V

Iout:500 mA

Vripple:100 mV

Fmin:50 KHz

按下「Calculate」按钮后，它就会给我们计算结果：

我们先来检视一下有没有不合理的零件数值。

根据我们设定的最小震荡频率 50 KHz，它算出来的频率电容器 Ct 是 379 pF，但在 E24 series 的零件数值中没有这个值，最接近的值是 390 pF，而在这个频率下，最小可用的电感值是 57 uH，同样我们也要看一下 E24 series 的数字，因为电感可大不可小，所以我们在 E24 series 中只能选择比 57 uH 更大的下一级数字：63 uH。

很刚好的是，用来控制电压的回授分压电阻刚好是 1 K 和 3 K 的整数。这是因为我们要的输出电压 5 V 刚好是 MC34063A 内部参考电压的整数倍 4 倍，所以分压电路刚好是个 1/4 的分压电路。

我们刚刚在调整频率电容器饿零件数值时，将它从 379 pF 增加到 390 pF，这个改变会让 MC34063A 的最低震荡频率比我们设计的频率低一点。当交换频率降低时，为了避免电感饱和，所需要的最小交换电感的感值就需要增加，幸好我们在设定电感数值时，也因为 E24 series 没有刚好的数字，而将电感的值从 57 uH 增加到 63 uH。

从 379 pF 变到 390 pF 的误差是（390-379）/ 379 = 2.9 %，而从 57 uH 增加到 63 uH 的误差是（63-57） / 57 =10%，虽然 Ct 对频率的影响不是完全线性的，但很显然我们增加电感的比例远大于频率降低的比例，因此这样的零件数值改动是安全的。

我们刚刚很随意地选了一个交换频率 50 KHz，这是因为 MC34063A 可以工作的最大交换频率是 100 KHz，而它「舒服」的工作频率大概落在 20 KHz-80 KHz 之间。一般我们在设计 MC34063A 的电路时，会先把交换频率设在 50 KHz，然后看看算出来的电感数值是否符合我们的零件采购需求，如果实务上我们需要比它算出来的值更小的电感（也许是因为电路板面积的限制或电流的限制），这时我们就可以试着将交换频率往上调。

交换频率往上调之后，所需要的最小电感数值就会降低，但代价就是更大的切换损失，也就是 MC34063A 里面的晶体管会有比较多的时间停留在线性区而造成发热，使得电路的效率降低。

电源电路的设计就是有这许许多多的 trade-off，我们常常要先决定某个零件数值，也许用猜的，也许根据经验，也许就直接抓容许值的一半，然后在试算过后，根据其它零件的数值需求或限制，再回头去调整它，因为很多的零件数值都是一个卡一个，我们很难在这样的电路设计中一步到位，一次决定所有的零件数值，这就是所谓的「设计迭代」（design iteration）。

小结

这一回我们看了用 MC34063A 设计的 buck converter 电路，也再次利用 Nomad 的在线设计工具帮我们决定零件数值，下一回我们会用比较现代的 buck converter IC 来设计降压电路。

编辑：黄飞