使用最少零件所作的多輸出DC/DC轉換器

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第一章、緒論

1-1 前言 在目前市售許多 CPU 控制板電路系統中,必須要有一組正負電源 供應類比電路及一組 5V 或 3.3V 的 DC 電壓給數位電路使用,若加上 繼電器,則往往再加上 12V 或 24V 的電源,由於此原故,多輸出電 能轉換器就成為必需品 [1-7]。 當然在系統搭配設計時可多加三組電源,但這些市售的電能轉換 器往往價格很高,線路複雜,體積大,而且其輸入電源經常和可提供 的電源產生不符合的現象,例如在電動機車的電源供應模式上 [8], 就必須要細心尋找可搭配之電源模式 [9-11],為了改變上述之狀況, 若其需求功率不大條件下,可以將小型的三組輸出電能轉換器直接做 在 CPU 控制板上,簡化總系統的結構,此研究是以一般的小功率的 CPU 控制板為設計根據,其所設計之輸出功率不超過 8Watt。 在研究內容中,挑戰以最少的元件只用一個 MC3463 作出+5V 及 ±15V 三組輸出,輸入的電壓為 24V 的 DC/DC 轉換器 [12],並具有 8Watt 的總輸出功率,若功率大於 8Watt 的話則必需再增加功率元件 或更改為非 34063IC 元件,但這就不符合本論文的重點"以最少元件 所做出的三組輸出電能轉換器",但也可作為日後研究方向[ 13]。

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1-2 研究目的 就目前的技術而言,為了提高效率,很多新的設計理念不斷被開 發出來 [14-17],以達到配合消費者的需求,但正也因如此,往往提 高了效率及性能而增加了成本,本研究卻重心在降低成本。 多輸出的轉換器並非很困難的事 [18-19],本研究的目的為挑戰 以最少零件做出成品及提高輸出功率為原則,此外為了以最少成本而 求出最大功率,所以必須找出新方法,把原本只有 1~2Watt 左右輸出 能力的 34063IC 提升到 6~10Watt 的輸出功率,經由重新設計之電路, 達到+5V 及±15V 的三組輸出電壓,而目前這樣的設計已遠超過市面 上一般轉換器的極限。

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第二章、 電路設計原理分析

2-1 Buck DC/DC 電路設計原理分析 一般 Buck 轉換器如圖 2.1 所示,只有 1~2Watt 輸出左右,其中電 感 L 為單一繞組,以下為在一般情況的工作方式 [20-22]:

Vin

SW

L

D

C

R

a

b

Gnd

Vout

圖 2.1 Buck 轉換器電路圖 1 ) ( I t L V V on out in   ………..(1) 2 I t L V off out  ………..(2) 因為: 1 2 I I   所以: 1 ) ( off out on out in t L V t L V V ………....(3) 而週期 T:

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f t t Tonoff  1 ………..………...……….(4) 很容易找出 ftontoff,而決定了其他元件,輸出功率為主要決

定的因子,假設其功率為Pout的話,PoutVoutIout,則最大輸出電流也

決定了,而輸出電壓Vout在此為平均值,但在工作時,IoutVout是會變

化的,這種變化的大小要有取捨,通常為負載的容忍度,比如 TTL 的 IC 的電源容忍度為 5±0.5V [23],則必須使Vout在 4.5 至 5.5 之間, 不論負載作何變化。 以理想的情況觀點而言,在圖 2.1 線路上的 D、L、C、SW 均為 不會消耗能量的元件,但事實上均會吃掉消耗大量電能,比如二極體 D 有順向電壓VF(也可寫為VDiode),0.8~1.2V 左右,若如果以 1.0A 的電 流流過,則 1.01.2V=1.2Watt,加上 SW 開關是半導體元件往往擁有 的飽和電壓VSat或導通電阻rD、電感 L 的電線電阻、電容 C 的 ESR 電 阻等損失,往往 5Watt 到最後只剩下 3Watt 可用,而且損耗使得元件 又會很燙,很易燒壞,所以設計時就必須要加上損耗及散熱條件。 切換式電源供應器往往是大量生產的,如果任何一個元件多花費 一元,一百萬台即多花一百萬,這是很可怕的事,所以系統的設計者 對生產數量愈大時,更必須要斤斤計較。當然生產量小時,就可以大 略粗估,以方便為原則,故本文的研究目的為大量生產,故盡可能壓 榨出最低成本。

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5 由以上述之分析可發現,因 Vin 為輸入電壓=24V,Vout 為輸出 電壓=5V,相差很大,所以 t1及 t2的大小相差也會變得很大如圖 2.2 所示,所以所汲取能量太少,針對此缺點,將利用多組線圈法把此缺 點改進。 圖 2.2 Buck 轉換器動作原理電路分析圖 在分析本文電路設計原理之前先介紹主要元件 34063 IC [24],當然不 用 34063IC 也可,還有很多元件可用[25],可依照設計者的需求去做 搭配,但是若以成本考量,還是 34063IC 最為便宜。

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2-2 34063A IC 功能介紹 圖 2.3 34063IC 結構圖 為了能夠更了解本文線路設計原理,必須先了解 34063IC 的工作 方法,在此先把內部的工作方法解說清楚,先看圖 2.3 所示:其結構 有 8 支腳,各司其職,首先看一下腳 1,其為電晶體Q1的集極,這電 晶體可以最大通過 1.5A 左右的電流,這是本 IC 的主要功率開關,因 為一般邏輯電路是推不動這種功率晶體,所以在Q1之前有另一個Q2 的電晶體作加強推動,當然因為Q1、Q2是電晶體,加上以達靈頓方 式工作,所以頻率不可能很高,所以 34063IC 標示的最大工作頻率為 100KHz,實際最好不要高過 50KHz,這 IC 為二十多年前的設計,在 當時已經是很了不起了,其腳 2(SE)功能為射極。

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7

TC 3

I

CT

I

CT

34063

圖 2.4 TC 工作原理示意圖 再看腳 3,標示為 TC,這是一個以充放電方式工作的脈波產生器, 這腳會接上一個電容而且電容另一邊接地,如圖 2.4 所示,這個結構 為很多脈衝產生器的基本電路,在圖中 Oscillation 的 CT腳為一個電 流向電容充電的電路,當電流 ICT向電容充電,電容電壓是往上增加, 一直增加到某一比較值時,電容會放電,即 VCT下降至接近 0,這時 又再度充電,則在 TC 腳電壓波型變成了一個如鋸齒的波型。這個過 程在 IC 內形成了一個基本的脈衝週期,作為全機的工作控制來源, 這種三角波也在很多 IC 中是控制輸出脈衝寬度的依據。 第 4 根腳為接地,為本 IC 的共同接地點,腳 5 為 FB 為回授控制 輸入端,這會接在輸出電壓的監察點,這往往是一個分壓電路,如圖 2.1 所示,這從輸出端取得的電壓和 IC 內的一個標準電壓,其大小為 1.25V,這電壓大小很穩定,從輸出端回授回來的必需和它對比,若

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比較器,比得是 Vout較大,則比較器會輸出一個 High 的訊號,這時 開關可以進行開關動作,繼續把能量送到輸出點。 腳 6(VCC)功能為電源接腳,腳 7 為(IPK)其功用為偵測電路中的 電流,目的是為了監控總電流大小,因為電路工作時往往有瞬間大電 流通過,比如開機時,或是輸出端短路,為了不燒壞電路,所以大多 數電路均有限流電路,其方法為,在電壓源端 Vcc 為第 6 腳,在第 6 腳和第 7 腳之間加上一個小電阻阻值 RS,來加以限制電流大小,而 腳 8(VCC)功能為電晶体 Q1 的 C 極,在電流從第 8 腳流向開關晶體 時,第 7 腳和第 8 腳便有一個小小的電壓差,34063IC 的設定為 0.33V, 若電流 I‧R>0.33 伏特時,34063IC 會強迫輸出關上,而這 RS 可以 保護電路不至於因大電流通過而燒燬,圖 2.5 為 34063 IC 所作的 Buck 電路。 圖 2.5 Buck 降壓器電路圖

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9 2-3 電路設計原理 34063 IC 的標準電路在廠商資料檔中有三種,即降壓、升壓及反 壓三種,此次研究方法是利用降壓電路改良而成,升壓在此不合適, 為了要有三組輸出可利用和返馳式電能轉換器(flyback)很相似的電 路,也即使用電感型變壓器,而 flyback 使用多組輸出及一組輸入線 卷[12],若三組輸出則需四組線卷,而本電路只用三組線卷,目的是 以最簡化為原則,其原理圖如圖 2.6 所示。 圖 2.6 等效電路圖 其和使用一般 Buck 降壓器很相似,但圖 2.7 所示,其會產生輸 出的負電壓和地線的電壓差的問題,這會使 34063 IC 內的電晶體的 BE 極產生導通或擊穿現象,所以我們利用電感變壓器的特性加上 34063IC 特有的反壓電路避開了此問題。若非如此,Vout 電壓會如圖 2.7 所示從輸出端經 L2 及 L1 反打入 34063 IC 的電晶體 E 極,造成

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損害。 圖 2.7 等效電路說明圖 從圖 2.8 中可發現,34063IC 的第 6 隻腳(VCC)接到 Vin(24V),而 從 Vin 流入的電流經Rs(檢流電阻)進入 IC 的 1、7、8 三腳,其中 1、 8 為 34063IC 內兩電晶體的 C 極,在 Rs 電阻產生的壓降由腳 7 檢出, 作為限流控制,腳L為電晶體的 E 極,也即是 SW 的接腳,其輸出 通到電感型變壓器,這變壓器共有三組線圈,分別為 L1、L2、L3, 注意各線圈的方向,第 5 腳為回授,由 Ra 及 Rb 做分壓器回送反餽 訊號。 圖2.8 本案的電路圖

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11 為了方便解說,可利用等效電路圖 2.6 解說之。此次電路設計只 使用一個 34063 IC 為主控元件不加任何功率晶體,因為這是一顆老 IC,在一般的標準電路中,大約是 1~3Watt 的輸出功率,若使用圖 2.1 所示 Buck 轉換器,會發現有一問題需要克服,因輸入電壓為 24V, 而輸出電壓卻是為 5V。 則由方程式:

L Vout t L Vout Vin t1   2 26 . 0 2 1   t t 其中t1為開關 SW 導通的時間,t2為開關 SW 開路的時間,L為電感 值,Vin為輸入電壓,Vout為輸出電壓。 這表示t1約只有t2的 4 1,對轉換器而言,其從電源汲取的最大之能量 為:

t t

Watt t I Vin C 24 1.5 0.26 3.7 26 . 1 2 1 2 1 2 1 1             

L Vout t L Vout Vin t1   2 其中IC為 34063IC 內功率電晶体 C 極的最大電流。 由式子(6)看來顯然不足,在此可利用一些電路的小技巧把輸出功 率提高至 8Watt。從式子(6)知t1不能太小,否則汲取的能量會變小, 對此電路設計設而言,其狀態為 ≒1 2 1 t t 為最理想之設計,因為此時的 高頻階波也最少,若t1=t2時,從電源所汲取的電能為: ...(5) ...(7) ...(6)

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9 5 . 1 24 4 1 2 1 2 1 max 1      V I Watt 顯然大很多,但若如圖 2.1 所示只使用同 一電感的話,式子(3)便不符合,為了從電源汲取最大能量又可以符 合式子(7),可以使用複合式電感,即如圖 2.9 所示: 圖 2.9 轉換器輸出電壓圖 2 2 1 0 t L Vout t L Vout Vin   在t1時,可使用L0電感(電感是由L1和L2兩個電感串聯而成),這時的 等效電感即L0為N1和N2串聯的值,L0的值和圈數的平方成正比,即 求得: 2 2 2 2 1 0 L N N N L          2 t 時,即可改成L2電感,這種方法和flyback很相似,在設計上可使用 一個有三組線圈的電感型變壓器,其完整電路結構如圖2.8所示,其 中 L1L2L3為變壓器中三組繞組,其中L1, L2為相連串接的電感,L3為獨 立電感,其圈數比為N1:N2 :N3 2:1:2,若想改變電壓比則把線圈組 的圈數比改變即可,其中,L1電感負責產生12VL2產生5VL3產 ...(7-1) ...(8)

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13 生12V 如圖2.10所示。 圖 2.10 輸出電壓示意圖 為了方便說明,可以由圖2.11說明工作程序: 圖 2.11 電感式變壓器工作原理說明圖 電路動作說明:在t1時,SW 導通,Vin=24V 電壓加上L1及L2上,這 時的等效電路如圖 2.10 所示,電感L0所受的電壓及電流變化為: 0 0 1 0 1 5 24 I L t L Vsat Vout Vin    其中Vsat為電晶體飽和導通電壓,查表知為 1V,I0為同時導通L1及L2 的增加電流,這時電流從Vin流向5VVout,而L3不工作。 ...(9)

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因為N1:N2 1:2,則由式子(9)可得知 2 0 2 1 3 L L        得L0 9L2 在此可以發現由L1及L2合成的L0數值很大,而這時加在L0上的電壓也 很高,所以 SW 導通時間可以大大增加。 在t2時,SW 不導通,L2以 5V 為主輸出,則電流經由L2流入C2,而 這時電流經由D2 L2為一迴路,而另外L1L3則因為其圈數比為 2 倍於L2, 則其電壓輸出也成為兩倍,但為負值 所以:

0

L 0 0 0 1 2 V L V Vout V V LVout V V         V 11  同理V3 11V 所設計電路由上述計算後得証。 設計電路驗證方程式如下: on Swith t At 1 ... (10) that So t t want We 21 , ...(11) 1 0 1 1 sat 0- - ) t ( I L V V V ...(12) 0 1 1 sat 0 1 0 1 1 0 2 1 2 diode 1- ) t ( - - ) ( L t V V V N N I N N I L V V ………..……...(13) 1 1 0 0 1 1 0 2 1 ) ( ) ( : V V V t L L N N t V V that Sodiode      sat  ………...(14) 1 1 0 0 1 2 1 ) ( ) ( V V V t N N t V Vdiode    sat  ...(15)

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15 that So t t want We 21 , ….………...………...…...(16) 0 1 1 0 1 ) ( N N V V V V V sat diode     ………...………...…(17) V V V V V V V V

Now: 1 5 , diode1 , 0 24 , sat 1 …………..……….……...(18) 3333 . 0 5 1 24 1 5 : 0 1      N N that So ………...(19) 2 1 0 N N N   ……….…...(20) 1 :N1So ………...…...(21) 2 2  N ……….…….……(22) : 7 , % 80 9 4 1 24 5 . 1 5 . 1 34063 are power output the arrange We Watt powers output is efficiency the If Watt is Power avg Max the that So A is of current peak The   V 5 ≫≫≫4.5Watt≫≫≫0.9A . 121  ≫≫≫2Watt≫≫≫0.1A V 12  ≫≫≫12Watt≫≫≫0.1A pF t Ct Rs H L L H L H L A L V V V kHz is Frequency 400 10 10 10 4 10 4 22 . 0 5 . 1 33 . 0 33 . 53 3 . 13 120 5 . 1 ) 5 1 24 ( 50 6 5 1 5 3 2 1 0 0                         

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2-4 研究方法 本研究分理論模擬及實作,本文先著重於理論上的探索,圖2.8為本 次主題的電路圖,全圖只有13個元件,輸出有三組L1、L2、L3為同繞在 一起的變壓器三組電感。 實驗方法是使用PSpice軟體 [26],將所設計的電路圖進行模擬,而以 模擬運算數據來驗證線路設計是否正確,PSpice軟體是一種專門針對 電路進行模擬分析的軟體,是一個全功能的類比與混合信號模擬器, 它支援從高頻系統到低功耗IC設計的電路設計。 圖2.12為使用pspice所模擬的電路圖。 圖2.12 pspice模擬電路圖

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第三章、實驗結果

3-1 實驗步驟與方法 在PSpice軟體內,分別設定各組不同的設計參數後,可得到多組 實驗數據,再經由實驗數據加以驗證所設計的電路是否正確。 實驗步驟與方法如下: 1. 總輸出功率計算。 2. SW 的導通時間及頻率設定所輸出之電壓變化。 3. 圈數比設定與輸出電壓之變化。 4. 輸入電壓改變與輸出電壓之變化。

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3-2 實驗參數定義與實驗數據 1. 總輸出功率計算: 表 3.1 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C1、C2、C3 輸出功率現況 調整值 7 8 9 10 11 12 輸出功率 4.63 5.86 7.30 8.61 10.22 12.45 圖 3.1 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C1、C2、C3 輸出功率現況曲線圖 表 3.2 per=10uS、L12=72、L3=8(2uS~7us)n C1、C2、C3 輸出功率現況 調整值 2 3 4 5 6 7 輸出功率 0.88 1.90 3.50 6.99 13.15 24.41 圖 3.2 per=10uS、L12=72、L3=8(2uS~7us)n C1、C2、C3 輸出功率現況曲線圖

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19 表 3.3 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C1、C2、C3 輸出功率現況 調整值 8 9 10 11 12 輸出功率 46.12 79.69 238.80 238.80 238.80 圖 3.3 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C1、C2、C3 輸出功率現況曲線圖 2. SW 的導通時間及頻率設定所輸出之電壓變化: 表 3.4 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C1 輸出電壓現況 調整值 7 8 9 10 11 12 電壓值 3.8 4.3 4.8 5.2 5.7 6.3 圖 3.4 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C1 輸出電壓現況曲線圖 3.8 4.3 4.8 5.2 5.7 6.3 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 7 8 9 10 11 12 調整值 電 壓 值

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表 3.5 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C2 輸出電壓現況 調整值 7 8 9 10 11 12 電壓值 -12.6 -14 -15.6 -17 -18.4 -20.2 圖 3.5 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C2 輸出電壓現況曲線圖 表 3.6 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C3 輸出電壓現況 調整值 7 8 9 10 11 12 電壓值 12.2 13.7 15.3 16.6 18 19.9 圖 3.6 per=20uS、L1、2=72、L3=8 C3 輸出電壓現況曲線圖 -12.6 -14 -15.6 -17 -18.4 -20.2 -25 -20 -15 -10 -5 0 7 8 9 10 11 12 調整值 電 壓 值 12.2 13.7 15.3 16.6 18 19.9 0 5 10 15 20 25 7 8 9 10 11 12 調整值 電 壓 值

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圖 3.7 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 7.0uSc1 電壓現況

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圖 3.9 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 7.0uSc3 電壓現況

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23

圖 3.11 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 8.0uSc2 電壓現況

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圖 3.13 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc1 電壓現況

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25

圖 3.15 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc3 電壓現況

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圖 3.17 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc2 電壓現況

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圖 3.19 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc1 電壓現況

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圖 3.21 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc3 電壓現況

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29

圖 3.23 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc2 電壓現況

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表 3.7 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C1 輸出電壓現況 調整值 2 3 4 5 6 7 電壓值 1.6 2.4 3.3 4.7 6.5 8.9 圖 3.25 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C1 輸出電壓現況曲線圖 表 3.8 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C2 輸出電壓現況 調整值 2 3 4 5 6 7 電壓值 -5.8 -8.3 -11 -15.3 -20.7 -27.99 圖 3.26 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C2 輸出電壓現況曲線圖 1.6 2.4 3.3 4.7 6.5 8.9 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 2 3 4 5 6 7 調整值 電 壓 值 -5.8 -8.3 -11 -15.3 -20.7 -27.99 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 2 3 4 5 6 7 調整值 電 壓 值

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31 表 3.9 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C3 輸出電壓現況 調整值 2 3 4 5 6 7 電壓值 5.5 7.9 10.6 14.9 20.3 27.5 圖 3.27 per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~7us)n C3 輸出電壓現況曲線圖 圖 3.28 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 02.0uSc1 電壓現況 5.5 7.9 10.6 14.9 20.3 27.5 0 5 10 15 20 25 30 2 3 4 5 6 7 調整值 電 壓 值

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圖 3.29 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 02.0uSc2 電壓現況

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33

圖 3.31 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 03.0uSc1 電壓現況

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圖 3.33 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 03.0uSc3 電壓現況

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35

圖 3.35 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 04.0uSc2 電壓現況

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圖 3.37 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 05.0uSc1 電壓現況

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37

圖 3.39 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 05.0uSc3 電壓現況

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圖 3-.41 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 06.0uSc2 電壓現況

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39

圖 3.43 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 07.0uSc1 電壓現況

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圖 3.45 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 07.0uSc3 電壓現況

表 3.10 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C1 輸出電壓現況

調整值 8 9 10 11 12

電壓值 12.6 19.9 23.5 23.5 23.5

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41 表 3.11 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C2 輸出電壓現況 調整值 8 9 10 11 12 電壓值 -36 -20.4 145 145 145 圖 3.47 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C2 輸出電壓現況曲線圖 表 3.12 per=10uS、L1、2=72、L3=8 3 輸出電壓現況 調整值 8 9 10 11 12 電壓值 37 30.5 1.5 1.5 1.5 圖 3.48 per=10uS、L1、2=72、L3=8 C3 輸出電壓現況曲線圖

(42)

圖 3.49 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-08.0uSc1 電壓現況

(43)

43

圖 3.51 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-08.0uSc3 電壓現況

(44)

圖 3.53 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-09.0uSc2 電壓現況

(45)

45

圖 3.55 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc1 電壓現況

(46)

圖 3.57 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc3 電壓現況

(47)

47

圖 3.59 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc2 電壓現況

(48)

圖 3.61 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc1 電壓現況

(49)

49 圖 3.63 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc3 電壓現況 3. 圈數比設定與輸出電壓之變化: 表 3.13 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C1 輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 14.9 15.7 15.8 15.5 15.2 圖 3.64 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C1 輸出電壓現況曲線圖 14.9 15.7 15.8 15.5 15.2 14.4 14.6 14.8 15.0 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比

(50)

表 3.14 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C2 輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 6.3 5.5 5 4.5 4.1 圖 3.65 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C2 輸出電壓現況曲線圖 表 3.15 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C3 輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 -15.3 -16.1 -16.2 -15.9 -15.6 圖 3.66 per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C3 輸出電壓現況曲線圖 6.3 5.5 5 4.5 4.1 0 1 2 3 4 5 6 7 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比 -15.3 -16.1 -16.2 -15.9 -15.6 -16.4 -16.2 -16 -15.8 -15.6 -15.4 -15.2 -15 -14.8 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比

(51)

51

圖 3.67 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=32、 L3=8 C123(2)電壓現況

圖 3.68 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=50、 L3=8 C123(2.5)電壓現況

(52)

圖 3.69 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=72、 L3=8 C123(3)電壓現況

圖 3.70 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=98、 1L3=8 C123(3.5)電壓現況

(53)

53 表 3.16 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C1 輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 13 14.5 15.7 16.8 17.6 圖 3.71 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C1 輸出電壓現況曲線圖 表 3.17 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C2 輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 6.3 5.5 5 4.5 4.1 圖 3.72 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C2 輸出電壓現況曲線圖 13 14.5 15.7 16.8 17.6 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比 6.3 5.5 5 4.5 4.1 0 1 2 3 4 5 6 7 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比

(54)

表 3.18 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C3輸出電壓現況 圈數比 2 2.5 3 3.5 4 電壓值 -13.4 -14.9 -16.1 -17.1 -18 圖 3.73 per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8 C3輸出電壓現況曲線圖 圖 3.74 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=32、 L3=8 C123(2)電壓現況 -13.4 -14.9 -16.1 -17.1 -18 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 2.5 3 3.5 4 調整值 圈 數 比

(55)

55

圖 3.75 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=50、 L3=8 C123(2.5)電壓現況

圖 3.76 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=72、 L3=8 C123(3)電壓現況

(56)

圖 3.77 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=98、 L3=8 C123(3.5)電壓現況

圖 3.78 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=128、 L3=8 C123(4)電壓現況

(57)

57 圖 3.79 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=128、 L3=8 C123(4)電壓現況 4. 輸入電壓改變與輸出電壓之變化。 表 3.19 改變輸入電壓後 D2 與 D3 輸出電壓之變化統計表 per=20uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓) 參數設定 電壓量測點 最高電壓 最小電壓 7 D2 24 -14 D3 14 -15 8 D2 24 -14 D3 13 -15 9 D2 24 -16 D3 16 -14 10 D2 24 -17 D3 17 -14 11 D2 24 -19 D3 18 -14 12 D2 23 -20 D3 20 -13

(58)

表 3.20 改變輸入電壓後 D2 與 D3 輸出電壓之變化統計表 per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓) 參數設定 電壓量測點 最高電壓 最小電壓 7 D2 24 -29 D3 29 -21 8 D2 24 -21 D3 30 -10 9 D2 24 -21 D3 30 -10 10 D2 23.5 23.5 D3 0 0 11 D2 23.5 23.5 D3 0 0 12 D2 23.5 23.5 D3 0 0 圖 3.80 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 07.0uS 電壓現況

(59)

59

圖 3.81 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 08.0uS 電壓現況

(60)

圖 3.83 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uS 電壓現況

(61)

61

圖 3.85 設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uS 電壓現況

(62)

圖 3.87 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 08.0uS 電壓現況

(63)

63

圖 3.89 設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 10.0uS 電壓現況

(64)
(65)

65 3-3 實驗數據分析討論 經由實驗後,就可以找出最佳輸出模式的設定,如下所示: 1. per=20uS、L12=72、L3=8 9.42uS,輸出電壓+5V、+15.85V、-16.25V 詳如圖 3.92 所示。 2. per=10uS、L12=72、L3=8 5.175uS,輸出電壓+5V、+15.78V、-16.16V 詳如圖 3.93 所示。 圖3.92 pspice模擬電路圖 圖3.93 pspice模擬電路圖 當輸出的+5V 電壓若想更穩定,可使用 PNP 電晶體改良,但是這會 產生不同的優、缺點的變化: 優點:1. 電流放大很多,功率大幅提高。 2. +5V 的電壓很精確。 缺點: 1. 使用了 PNP 電晶體後,切換速度下降,增加變壓器的體積。 2. 不再是最少零件的3組輸出轉換器。

(66)

實驗中也將 34063IC 與 ICMax 相同的功率下做出模擬比較: 1. Buck 電路模擬結果輸出模式 5V、1.5A 其電阻值為 9Ω 詳如圖 3.94。 2. 模擬實驗電路圖在設定值為 pw=9.125uS、per=20uS、L1、L2=64、 L3=16、R1、3=100Ω、R2=3.5Ω,輸出模式 5V、1.5A 詳如圖 3.96。 圖 3.94 Buck 電路模擬圖 圖 3.95 Buck 電路模擬結果在 ICMax相同條件下輸出電壓現況圖

(67)

67

圖 3.96 設計電路模擬圖

圖 3.97 設定值: pw=9.125uS、per=20uS、L1、L2=64、L3=16、R1、3=100、 R2=3.5ICMax 相同條件下輸出電壓現況圖

(68)

依照 Buck 電路模擬電路圖 3.95 所示,得出來的輸出電壓 5V、 電流 1.5A,其電阻為 9Ω,經過計算後所得到的功率為 2.78W,然而 由重新所設計的電路,經過模擬計算後如圖 3.97,得到的輸出電壓為 -5V、電流為-1.5A,其電阻為 3.5 Ω ,經過計算後所得到的功率為 7.14W,已比原先 Buck 電路多出 4.46W,證明重新所設計的電路在 同輸出電壓及電流狀況下,可得到更高的輸出功率。 表 3.21 Buck 電路 表 2.22 設計模擬電路 電壓 5V 電壓 5V 電流 1.5A 電流 -1.5A 電阻 9Ω 電阻 3.5Ω 功率 2.78W 功率 7.14W

(69)

69

第四章、結論與未來研究方向

4-1 結論 本文所示之電能轉換器,除了挑戰最少零件及低成本的三組輸出 電壓模式,也符合實用於電池的要求,可以使用在電動機車及一般 24V 的環境下,當然若改為 12V 時,也可以調整線圈比,而做出所 要的電壓值,足以證明本設計電路為低成本及多組輸出的實用電路 [27-28]。 4-2 未來研究方向 1. 在未來的研究方向,可將設計的電路,製造成實品,並嘗 試將 輸出功率提升大於 8Watt,以符合更多的能源需求,詳如圖 4.1。 2. 在此對 34063IC 生產公司建議生產用 PNP 功率晶體的 IC,或許也 是一個商機,詳如圖 4.2。

(70)

圖 4.1 PCB 輸出設計圖

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71

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[28]林景源,“適用於大範圍負載變化之電源供應器研製”,國立台灣 科技大學碩士論文,民國九十三年。

(75)

75 符號彙編 Symbol Meaning f 頻率 Il 電感電流 Ic 電晶體電流 Imax 最大電流 Iout 輸出電流 L 電感 L0 L0= L1串聯 L2 L1 第 1 組電感 L2 第 2 組電感 L3 第 3 組電感 Lout 輸出電感 N0 L0的圈數 N1 L1的圈數 N2 L2的圈數 N3 L3的圈數 Pout 輸出的功率 Q1 電晶體 Q1

(76)

Q2 電晶體 Q2 rD FET 內阻 t1 =ton導通時間 t2 =toff斷通時間 toff =t1導通時間 ton =t2導通時間 V0 輸入電壓 V1 第 1 組線圈電壓 V2 第 2 組線圈電壓 V3 第 3 組線圈電壓 Vdiode 二極體順向電壓 Vf 二極體順向電壓 Vin 輸入電壓 Vout 輸出電壓 Vsat 電晶體飽和電壓

數據

圖 3.12  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 8.0uSc3 電壓現況

圖 3.12

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 8.0uSc3 電壓現況 p.23
圖 3.14  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc2 電壓現況

圖 3.14

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc2 電壓現況 p.24
圖 3.16  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc1 電壓現況

圖 3.16

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc1 電壓現況 p.25
圖 3.18  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc3 電壓現況

圖 3.18

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc3 電壓現況 p.26
圖 3.20  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc2 電壓現況

圖 3.20

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc2 電壓現況 p.27
圖 3.22  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc1 電壓現況

圖 3.22

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc1 電壓現況 p.28
圖 3.30  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 02.0uSc3 電壓現況

圖 3.30

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 02.0uSc3 電壓現況 p.32
圖 3.32  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 03.0uSc2 電壓現況

圖 3.32

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 03.0uSc2 電壓現況 p.33
圖 3.34  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 04.0uSc1 電壓現況

圖 3.34

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 04.0uSc1 電壓現況 p.34
圖 3.36  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 04.0uSc3 電壓現況

圖 3.36

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 04.0uSc3 電壓現況 p.35
圖 3.38  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)-05.0uSc2 電壓現況

圖 3.38

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)-05.0uSc2 電壓現況 p.36
圖 3.40  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 06.0uSc1 電壓現況

圖 3.40

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 06.0uSc1 電壓現況 p.37
圖 3.42  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 06.0uSc3 電壓現況

圖 3.42

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 06.0uSc3 電壓現況 p.38
圖 3.44  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 07.0uSc2 電壓現況

圖 3.44

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(2uS~6us)- 07.0uSc2 電壓現況 p.39
圖 3.49  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-08.0uSc1 電壓現況

圖 3.49

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-08.0uSc1 電壓現況 p.42
圖 3.52  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-09.0uSc1 電壓現況

圖 3.52

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-09.0uSc1 電壓現況 p.43
圖 3.54  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc3 電壓現況

圖 3.54

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uSc3 電壓現況 p.44
圖 3.53  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-09.0uSc2 電壓現況

圖 3.53

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8-09.0uSc2 電壓現況 p.44
圖 3.56  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc2 電壓現況

圖 3.56

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 10.0uSc2 電壓現況 p.45
圖 3.58  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc1 電壓現況

圖 3.58

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc1 電壓現況 p.46
圖 3.60  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc3 電壓現況

圖 3.60

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uSc3 電壓現況 p.47
圖 3.62  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc2 電壓現況

圖 3.62

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8- 12.0uSc2 電壓現況 p.48
圖 3.68 設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=50、 L3=8 C123(2.5)電壓現況

圖 3.68

設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=50、 L3=8 C123(2.5)電壓現況 p.51
圖 3.70  設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=98、 1L3=8 C123(3.5)電壓現況

圖 3.70

設定值: per=20uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=9.42uS、L1、2=98、 1L3=8 C123(3.5)電壓現況 p.52
圖 3.76 設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=72、 L3=8 C123(3)電壓現況

圖 3.76

設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=72、 L3=8 C123(3)電壓現況 p.55
圖 3.78  設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=128、 L3=8 C123(4)電壓現況

圖 3.78

設定值: per=10uS、L1、2=圈數比變化、L3=8- per=5.175uS、L1、2=128、 L3=8 C123(4)電壓現況 p.56
圖 3.82  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uS 電壓現況

圖 3.82

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 09.0uS 電壓現況 p.59
圖 3.84  設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uS 電壓現況

圖 3.84

設定值: per=20uS、L1、2=72、L3=8- 11.0uS 電壓現況 p.60
圖 3.86  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 07.0uS 電壓現況

圖 3.86

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 07.0uS 電壓現況 p.61
圖 3.90  設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 11.0uS 電壓現況

圖 3.90

設定值: per=10uS、L1、2=72、L3=8(D2、D3 電壓)- 11.0uS 電壓現況 p.63

參考文獻