在上一回我們介紹了利用外部更大更有力的晶體管來取代 MC34063A 內(nèi)部的開關(guān)晶體管，來構(gòu)成 boost 電路，也介紹了用 MC34063A 驅(qū)動(dòng) MOSFET 當(dāng)作開關(guān)晶體管的方法。

這一回會(huì)是我們介紹 boost converter 的最終回，我們要挑戰(zhàn)一個(gè)可以產(chǎn)生超過 100 V 電壓的 boost converter 電路，并說明如何搭配倍壓整流電路來讓 boost converter 更輕松。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

這次的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要做一個(gè)可以用來點(diǎn)亮輝光管（nixie tube）的高壓電源。輝光管是一種用來當(dāng)作顯示設(shè)備的真空管，在 LED 發(fā)明之前，它是主要的顯示設(shè)備。

輝光管的運(yùn)作原理跟氖燈很像，它們都是氣體放電管，不過輝光管內(nèi)部通常有很多個(gè)形狀不同的陰極，只要加上足夠高的電壓，陰極上會(huì)有電子飛出來，撞擊管內(nèi)低壓氣體的原子，使它們被激發(fā)而發(fā)光。輝光管的陰極不需要加熱，純粹靠材料特性與高壓產(chǎn)生的電場就能讓電子飛出來，因此它是屬于冷陰極（cold cathode）的真空管裝置。

輝光管活躍的年代大概在 1960 年代以前，LED 出現(xiàn)后它就沒有舞臺(tái)了，因此現(xiàn)存的輝光管幾乎都是上個(gè)世紀(jì)中留下來的舊貨，現(xiàn)在也不太可能還有人在制造新的輝光管。

不過某寶上還是可以找到一些顯示特定中文字的輝光管。

要讓輝光管亮起來，大概需要 180 V 左右的電壓，而和所有的氣體放電燈管一樣，輝光管也有「負(fù)電阻」效應(yīng)，也就是它的電阻會(huì)隨著電壓的上升而下降。對于這樣的裝置，如果我們用一個(gè)電壓源來驅(qū)動(dòng)它，它會(huì)暴走，因?yàn)楫?dāng)它導(dǎo)通之后電阻下降，會(huì)繼續(xù)從電壓源抽取更多的電流，然后電阻再下降、電流再變得更大…整個(gè)系統(tǒng)就失控了。

對于功率比較大的氣體放電管如日光燈管、氙氣燈管等裝置，我們通常會(huì)用定電流驅(qū)動(dòng)裝置來限制它的電流，用來補(bǔ)償負(fù)電阻效應(yīng)，但對于像輝光管這種功率很小的氣體放電管，其實(shí)用一顆限流電阻就可以達(dá)到這個(gè)目的，唯一需要注意的就是限流電阻上的功耗，必須控制在零件本身可以承受的合理范圍。

我們以 SZ-8 這個(gè)現(xiàn)在還算好買的輝光管為例，根據(jù)它的datasheet，點(diǎn)亮它需要的電源參數(shù)是：

電壓：170 V

電流：2 mA

限流電阻：20 K?

假設(shè)我們以 12 V 為輸入，效率 70% 來估計(jì)，這個(gè)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是：

輸出：170 V/2 mA

輸出功率：170 V *0.002 A = 340 mW

輸入功率： 340 mW/ 0.7 = 485 mW

輸入電流：0.485 W/ 12 V = 40 mA

這樣的條件對 MC34063A 來說，并不是很困難的目標(biāo)。

零件數(shù)值計(jì)算

我們用上一回最后介紹的 MOSFET 電路來設(shè)計(jì)。首先，要決定回授電壓控制的電阻值。

從 12 V 升壓到 170 V，升壓的倍數(shù)是 14 倍。我們之前講過，boost converter 的升壓倍數(shù)與它 on/off 的 duty cycle D 有關(guān)：

VOUT/VIN= 1 / 1 – D

而由于 D 在上面那個(gè)式子的分母，如果我們把 D 跟升壓比畫成圖會(huì)是這樣：

可以看出來當(dāng) D 超過 0.9，也就是升壓比超過 10 以上之后，D 只要變動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，升壓倍數(shù)就會(huì)變動(dòng)很大，這會(huì)對回授控制電路的穩(wěn)定性造成不好的影響。以我們這次需要的升壓倍率 14 倍來說，差不多就是 MC34063A 可以穩(wěn)定工作的極限，雖然大部分的文件會(huì)告訴你 MC34063A 不能設(shè)計(jì)超過 10 倍的升壓比，但如果犧牲一點(diǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，也就是不要求輸出電壓真的要非常準(zhǔn)的話，15 倍大概還是可以接受的倍率。

MC34063 的回授電壓 VBF 是 1.25 V，所以回授分壓電路的比率就是 1.25 / 170 = 0.00735294。我們可以用 330 K、2.4 K 分壓來達(dá)成這個(gè)比例：

這時(shí)的輸出電壓會(huì)是：

VOUT= 1.25 / 2.4 * （330 + 2.4） = 173.125（V）

這個(gè)電路中，有幾個(gè)零件的耐壓需要特別注意。首先是 MOSFET。因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的輸出電壓高達(dá) 170 V，當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，它的 D-S 之間就要承受 170 V 的電壓，因此 MOSFET 本人的 D-S 耐壓一定要大于這個(gè)電壓，再加上一點(diǎn)余裕。

圖中選用的 IRF840 是一顆蠻常用的高耐壓 power MOSFET，它的 VDS 耐壓可以到 500 V，對于 170 V 的任務(wù)來說綽綽有余。它在室溫下可以承受 8 A 的電流，以這次的設(shè)計(jì)來說也是殺雞用牛刀。

C2 是輸出的濾波電容，由于我們產(chǎn)生的電源是用來點(diǎn)亮輝光管，其實(shí)對電源上的漣波不是真的非常在意，只要管子亮起來的時(shí)候看起來不要閃就可以了，而且輝光管的電流只有 2 mA，因此這里并不需要太大的濾波電容，只要這個(gè)電容夠讓回授電路穩(wěn)定就可以。不過一樣要注意耐壓，它至少要能承受輸出電壓。

D1 是整流二極管，它一樣需要承受高壓。當(dāng)電感處在充電周期、MOSFET 的 D-S 導(dǎo)通時(shí)，D1 會(huì)處在逆偏壓狀態(tài)，它兩端的電壓差就是輸出電壓 170 V。我們選了 FR10x 系列的高壓整流二極管，F(xiàn)R104 可以耐到 400 V，這個(gè)以上的零件就可以了。圖中的 FR107 甚至可以耐到 1000 V。

接下來要決定電感了。在這個(gè) 15 倍升壓比的電路中，電感充電和放電的時(shí)間比例就是 14：1，也就是在每一個(gè)周期中，有 14/15 的時(shí)間，電感處于被充電的狀態(tài)，另外 1/14 的時(shí)間才是在放電，另外我們之前也說過，MC34063A 的工作頻率不高，在 100 KHz 以下。綜合以上兩點(diǎn)：這么長的充電時(shí)間、加上不是很快的切換速度，一定需要一顆很大的電感才耐得住而不會(huì)飽和；我們在這里選用 2.2 nF 的 timing capacitor，換算出來的交換頻率在沒有因?yàn)殡姼酗柡投崆敖Y(jié)束充電的前提下，大概是 20 KHz 左右。

我們需要一個(gè)大概 10000 uH，也就是 10 mH 左右的電感來擔(dān)任這個(gè)儲(chǔ)能的工作，這是一個(gè)很大的電感。所幸，拜現(xiàn)在鐵芯材料進(jìn)步所賜，繞在甜甜圈型鐵芯上的環(huán)形電感可以輕易在很小的體積內(nèi)做到這個(gè)感值。

這個(gè)電感就是 10 mH 的環(huán)形電感，跟旁邊 TO-220 包裝的 IRF840 比較起來，可以看出它的大小。至于電感的耐電流，由于我們的輸出電流只有 2 mA，輸入電流也只有數(shù)十個(gè) mA，其實(shí)電感上的峰值電流大概才數(shù)百個(gè) mA，因此用這個(gè)尺寸的環(huán)形電感也算是殺雞用牛刀。

最后，圖中的 D2、Q2、R1 就是我們上次說過的，為了幫助 MOSFET Q1 快速關(guān)閉、避免停留在線性區(qū)而增加的零件，加上這三個(gè)零件可以很明顯地改善 IRF840 上切換的效率。

挑戰(zhàn)更高的倍率

我們剛剛的設(shè)計(jì)是以 12 V 為輸入。如果我們想用 USB 的 VBUS 5 V 來供電，能不能也用這個(gè)電路來產(chǎn)生高壓，點(diǎn)亮輝光管呢？

如果要從 5 V 升壓到 170 V，升壓比就變成：170 / 5 = 34 倍

這個(gè)倍率其實(shí)已經(jīng)讓 MC34063 工作在不太穩(wěn)定的范圍了。不過如果你硬是要做的話，它仍然會(huì)動(dòng)。但有一個(gè)零件需要更換：MOSFET。

因?yàn)榇蟛糠值?power MOSFET 設(shè)計(jì)的 Vth 都是以 10 V 為參考，IRF840 也不例外。當(dāng)我們把輸入電壓降到 5 V 時(shí)，雖然 MC34063A 仍然可以正常工作（MC34063A 最低工作電壓是 3 V），但它輸出用來驅(qū)動(dòng) IRF840 的電壓也只剩下 5 V，這會(huì)讓 IRF840 沒辦法完全導(dǎo)通，使得電路不工作或是工作在非常沒有效率的區(qū)間。

因此我們需要一顆用 5 V 的 gate 電壓就可以打開的 MOSFET。

在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MOSFET 編號(hào)中，凡是字尾有 L 的，多半都說這種可以用較低 gate 電壓驅(qū)動(dòng)的 MOSFET。這個(gè)「L」的意思是 logic，也就是代表這是可以用 5 V 邏輯電壓直接驅(qū)動(dòng)的 MOSFET。IRF840 剛好有這么一個(gè)表弟叫做 IRF840L，根據(jù) datasheet：

它只要最低 2 V的的 VGS，D-S 就會(huì)開始導(dǎo)通。

因此如果我們要用 5 V 來驅(qū)動(dòng)這個(gè)電路，MOSFET 一定要更換成可以用 5 V gate 電壓驅(qū)動(dòng)的版本。

倍壓整流

最后我想要提一下倍壓整流電路，這是一個(gè)可以幫助升壓轉(zhuǎn)換器打出更高電壓的電路。

我們用同樣的電路，但在電感之后多加兩顆二極管和兩個(gè)電容器，總共用了三顆二極管、三顆電容器，可以構(gòu)成「倍壓整流」的電路。

這個(gè)電路工作的原理跟 charge pump 有點(diǎn)像，它們都是利用交流訊號(hào)極性會(huì)反轉(zhuǎn)的特性，讓電荷儲(chǔ)存在電容器中，再把電容器串聯(lián)起來得到兩倍三倍四倍甚至更高的電壓。不過 charge pump 需要額外的開關(guān)組件來控制，而倍壓整流則是利用交流輸入本身極性就會(huì)反轉(zhuǎn)的特性，搭配二極管構(gòu)成整流電路來巧妙達(dá)成。

以上面這個(gè)電路來說，經(jīng)過了倍壓整流電路，A 點(diǎn)的 RMS 電壓就會(huì)是 B 點(diǎn)的兩倍。換句話說，如果我們需要 170 V 的輸出，前面的 boost 電路只需要把 B 點(diǎn)的 RMS 電壓打到 85 V，就可以讓回授電路拿到 170 V 的電壓，因?yàn)榛厥陔娐返妮斎虢釉?A 點(diǎn)。

從 5 V 升壓到 85 V 的倍率只有 17 倍，遠(yuǎn)比剛剛的 34 倍要輕松得多，MC34063A 也可以工作在比較穩(wěn)定的控制區(qū)間。

因此，當(dāng)我們真的需要很高的升壓比時(shí)，適當(dāng)?shù)拇钆浔秹赫麟娐罚梢宰?boost converter 工作得更好。而且倍壓整流電路可以串接：串兩級就是 4 倍、串三級就是 8 倍。我曾經(jīng)用類似的電路產(chǎn)生出讓蓋格計(jì)數(shù)管工作需要的 500 V 左右電源。

小結(jié)

這一回是我們聊 boost converter 的最終回，我們介紹了一個(gè)可以從 12 V 升壓到 170 V，可以用來作為輝光管電源的電路，并介紹了如果需要更高的升壓比，或是更低的輸入電壓時(shí)，有哪些需要注意的事。我們也簡單提了倍壓整流電路供讀者參考。

下一回我們要開始介紹用來降壓的 buck converter 了，其實(shí) buck converter 的原理與 boost converter 相差不大，如果讀者們已經(jīng)熟悉 boost converter，一定可以很快了解降壓電路的運(yùn)作原理。

審核編輯：湯梓紅