降壓型轉換器之元件設計準則

如圖5-4 所示為降壓型轉換電路之等效電路

圖5-4:降壓型轉換器之等效電路

假設電感電流 i_L於T_on時間內由I₁線性增加至I₂，則:

2 1

d o

on on

I I I

V V L L

T T

− ∆

− = = (5.1)

或

on

d o

T I L

V V

= ∆ ⋅

− (5.2) 當電感電流在 Toff時間內由I2線性降低至I1，則:

o

off

V L I T

− = − ∆ (5.3)

或

off

o

T I L V

= ∆ ⋅ (5.4)

其中∆ = −I I₂ I₁為電感 L 漣波電流之峰對峰值，令(5.1)與(5.3)的∆I值相 等，則

(V_d V T_o) _on V T_{o off}

I L L

− ⋅

∆ = = (5.5) 切換週期T 可以表示為

1

( )

d d

on off

sw d o o o d o

I L V I L V T T T I L

f V V V V V V

∆ ⋅ ⋅ ∆ ⋅ ⋅

= = + = ∆ ⋅ + =

− − (5.6)

其中f_sw為切換頻率，所以可以得到所需的電感量

( )

o d o

sw d

V V V L I f V

= −

∆ ⋅ ⋅ (5.7) 而電容漣波電壓之峰對峰值為

/ 2 0

( 0) 1

4 8 8

T

c c c

sw

I I T I

V v v t dt

C C f C

∆ ∆ ⋅ ∆

∆ = − = = = =

⋅ ⋅ ⋅

∫

將(5.7)代入(5.8)可以得到

2

( )

8

o d o

c

sw d

V V V V L C f V

∆ = −

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (5.9) 因此即可求得降壓轉換器的輸出電容量為

c 8 sw

C I

V f

= ∆

∆ ⋅ ⋅ (5.10)

圖5-5:Buck 轉換器電路

圖5-5 中為 Buck circuit 之電路全貌，依其工作性質的不同，主要可 分為以下三個 Block:IR2110、L6561、LM2904 這三個部分在此一電路 當中各司其職，皆有其不可取代的特性。以下將作一詳述的說明。

L6561 應用在功率控制器

首先當電路在正常操作的情況下，由前級電路 PFC 所送出之 DC 400V 瞬間電壓將 MOS 導通，此時由於 MOS 的導通於是在 Buck 的輸 出端也就是 UBA2030T(全橋變流器的驅動 IC)的輸入端有了一個接近 400V 的高壓產生，順利的將 UBA2030T 這顆 IC 驅動，於是從 UBA2030T 之 pin5 (RC 接腳)便送出一振幅約為 10V 之鋸齒波形如圖 5-6 所示。此 一信號流經UBA2030T 與 Buck 轉換器中唯一之溝通電路後，訊號傳入

L6561 的 pin3 (Multi 接腳)，此時，如圖 5-7 L6561 之 block diagram 所 示根據 multiplier 的內部計算公式，Multi_out=0.6*(Vcomp-2.5)*V_multi 可得到乘法器之輸出電壓，再與 pin6 (CS 接腳) 之電壓做比較來決定 此時比較器的輸出為何，通常在電路一開始工作時，此時的 Multi 接腳 之電壓並不會很大，所以 CS 接腳之電位很容易就可以頂到 Multi 的電 位，使得SR Flip Flop 之 Reset 接腳為“1”輸出 Q 為“0”造成下橋導通，

GD 端拉至 Low 的電位，使開關 OFF 在開關 OFF 之後由於電感在開關 切換的瞬間有著電壓極性相反與電流流線不變的特性，因此我們可以得 到 CS 與 ZCD 的波形如下圖 5-8 與 5-9 所示，由圖示可知 CS 與 ZCD 之 波形為互補式切換，也就是說當CS 頂到 Multi 使開關 OFF，等到 ZCD 頂到參考磁滯電壓1.6-2.3V 後送給 SR Flip Flop 之 Set 接腳為“1”輸出 Q 為“1”造成上橋導通，GD 端拉至 High 的電位，使開關 ON(在這裡如果 從控制電路的角度來看，在下圖5-10 中開關在 OFF 之後之所以會再 turn on，也是因為此時 F 點的電壓為零造成比較器的輸出端為“1”，重新將 T 點的訊號拉至 High 造成開關的重新導通)。

圖5-6:UBA2030T Pin5 之輸出波形圖

圖5-7:L6561 方塊示意圖

圖5-8:T 點(Ch-1)與 L6561_CS 點(Ch-2)之波形圖

圖5-9:T 點(Ch-1)與 L6561_ZCD(Ch-2)之波形圖

圖5-10:T 點(Ch-1)與 L6561_Multi(Ch-2)之波形

IR2110 應用在功率控制器

由圖5-11 可知，當輸入電壓 HIN 為 Low 時經由一史密特觸發電路 後其輸出為“1”，且 SD pin 在正常情形下皆接至“0”電位，同樣的經由一 史密特觸發電路後其輸出亦為“0”後，所有的信號經由一個 NOR Gate 之 後產生一“0”之信號，因而無法啟動 Level Shift Block 造成 VCC 之電壓 仍維持在一低電位之情形，經過 Under Voltage Detector 後送出一為

“Low”之信號啟動 Pulse GEN 之低側，所以 Pulse GEN 後方之 MOS 便會 產生一 ON 一 OFF 之現象送至後面的 SR 正反器，由於此時送至 S_Bar 與 R_Bar 之電位分別為“1”，“0”所以輸出 Q_Bar 為“1”經過一 inversion 之後送出的電位為“0”，造成下面的 MOS turn on 使輸出維持在 Low 的 準位，同理的當 HIN 為 High 時亦可推出此時之輸出 pin HO 之電壓為 High 形成 input 與 output 同相位之情形(且由於電路在設計上有一從 F

點所拉過來之電壓於 VB，形成 MOS 之 Drain 端始終有一高電位之電 壓，加速IR2110 的驅動情形)。

圖 5-11:IR2110 方塊示意圖

LM2904 應用在功率控制器

由下圖5-12 中可知，在 Buck 電路中所用到的 LM2904 其實就是由 二個 OP 所組成之積分器，一開始透過前端的積分電路，將回授回來的 P 點電壓作 80 倍的倍數放大，經由重疊定理可知第二級 OP 的負端產生 一電壓降，我們從電路開始導通時進行討論，當電路一開始turn on 的時 候 P 點的電壓值較低，因此透過第一級 OP 的放大後，輸出之電壓值亦 較為低，相對的，此時在第二級OP 之負端電壓亦較為小(也就是 L6561 的第一隻輸入腳)，經由積分器的效應，於第二級 OP 的輸出(也就是 L6561 的第二隻輸入腳)得到一較大的電壓值，在此處我們所量測的電壓 值約為 6V 與 datasheet 上此處的 Vmax=5.6V 不謀而合，相對地當電路

操作進入穩態階段時P 點之電壓較大(因為 0.1A*1Ω=0.1V)，因此經由 先前的說明可以知道此時的第二級 OP 輸出電壓較之前所量到的 6V 為 小，而datasheet 上的數值與我們實際量測之結果 4V 亦非常接近，這裡 也解釋了為什麼L6561 的 pin2 在穩態時為 4V 而電路一開始啟動時為 6V 的原因了，此外當電路在NO Load 的狀態下，P 點的電壓更比 0.1V 高 出許多，根據我們先前的說明，其第一級 OP 的輸出電壓應該會成 80 倍的比例上升，但此處因其 ON 與 OFF 之間的時間間隔相當的長，所 以其相對的平均電壓值亦相當的低，符合我們在量測時所看到的現象，

最後在此一 Buck 電路中，主要就是靠著 LM2904 這一部份的電路來完 成一些信號的回授與控制的功能。圖5-13 為 PI 積分器的全貌圖。

圖 5-12:LM2094 內部示意圖

圖 5-13:LM2904 內部電路展開後之全貌圖