瞭解切換式電源供應器設計的奧妙與科學

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，選定電腦的某一個 I/O 連接埠，然後將其「擴充」為幾個連接埠。HP 9878A I/O 擴充器的工作就是將一個 I/O 插槽轉變成七個。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) 針對 5 V、12 V 及 -12 V 電源供應器使用線性穩壓功能，因為切換式穩壓器的設計在當時仍未成熟。(照片來源：Steve Leibson)

這項設計工作中有一部份涉及到，供應電力給插入擴充器七個插槽的 I/O 卡。每張卡最多會從 I/O 插槽 5 V 穩壓電軌耗用 500 mA 電流，且從 12 V 及 -12 V 穩壓電軌耗用最多 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 電源電流)，且針對 12 與 -12 V 穩壓電源供應器提供最多 700 mA 的電流。

使用當時最新的 µA7812 及 µA7912 三端子穩壓器，就能輕易滿足 HP 9878A 的 12 V 電源供應器需求，但是若要挑選適用於 5 V 穩壓電源供應器的穩壓器就不容易了，因為必須可提供將近 4 A 的電流。迅速研究一番後，我選擇了 µA723 可調整穩壓器 IC。此 IC 採用十引腳 TO-5 封裝，且需要使用幾個額外的支援元件，以及一個外接 2N3055 NPN 功率電晶體，然後裝進一個大型的 TO-3 封裝內。

題外話：傳奇人物 Bob Widlar 在 1967 年發明了 µA723 可調整穩壓器 IC，已證實相當耐用。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，而此面板則穩固連接 HP 9878A 的鑄鋁底盤以利散熱，而板式安裝的 µA723 可調整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，如今可能仍是最適合的選擇，但我現在已經不再選擇 µA723 可調整穩壓器及外部 2N3055 NPN 開關電晶體了。為了將多餘的廢熱降到最低，HP 9878A 的電源供應器設計要使用客製化繞線電源變壓器，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，因此客製化繞線電源變壓器的製作輕而易舉。如今已有所不同：同樣這個專案，我現在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。如今，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。

有許多資源可幫助您瞭解切換式電源供應器設計的奧妙與科學。在此提供一些優質的資源，包括 Texas Instruments (TI) 針對其 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：

• PMLK Buck EVM 涵蓋 LM3475 與 TPS54160 降壓切換式穩壓器 IC
• PMLK 升壓 EVM 涵蓋 LM5122 與 TPS55340 升壓切換式穩壓器 IC
• PMLK 低壓降 (LDO) EVM 涵蓋 TPS7A4901 與 TPS7A8300 正極可調整 LDO

這三項產品都個別包含評估板及教科書，分別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個低電流、穩壓的電源電壓。

所有的 TI 教科書都包含以評估板為基礎的實驗項目。在完成這三本 PMLK 實作書中的所有實驗後，您就會對電源供應器的科學原理有深入的瞭解。要是 45 年前就有這些資源該有多好。