了解开关电源设计中的科学和艺术

1975 年我成为一名新晋电气工程师之后，参加的第一个设计项目是用于 HP 9825A 台式计算机的 HP 9878A I/O 扩展器。我的职责是项目的所有电子设计，与负责项目机械设计的 HP 工程师 Jerry Nichols 携手合作。

在概念上，I/O 扩展器与今天的 USB 集线器非常相似。也就是将计算机的 I/O 端口“扩展”为多个端口。HP 9878A I/O 扩展器的作用就是将一个 I/O 插槽转换为七个插槽。由于所有 I/O 卡都有基于香料的代码名称，例如 Parsley、Sage 和 Rosemary，因此我们将 I/O 扩展器项目取名为“Spice Rack”（香料架）。Spice Rack 在 1976 年推出（图 1）。

图 1：HP 9878A I/O 扩展器（大约 1976 年）的 5 伏特、12 伏特和 -12 伏特电源使用了线性电源调节，因为当时开关稳压器设计仍然称得上一门艺术。（照片提供：Steve Leibson）

该设计工作包括插入扩展器七个插槽中的 I/O 卡的电源。每个卡可从 I/O 插槽的 5 伏特稳压电源轨获取最多 500 毫安 (mA) 电流，从 12 V 和 -12 V 稳压电源轨获取最多 100 mA 电流。因此，I/O 扩展器中的电源必须在 5 伏特电压下提供 3.5 安培电流（另外还有 I/O 扩展器的内部电路需要的 5 伏特供电电流），并为 12 和 -12 伏特稳压电源提供最多 700 毫安电流。

使用当时的新型 µA7812 和 µA7912 三端子稳压器，很容易满足 HP 9878A 的 12 伏特电源要求，但对于 5 伏特稳压电源，由于需要提供接近 4 安培的电流，就没那么容易选择了。经过快速研究之后，我选择了 µA723 可调节稳压器 IC，它采用十引脚 TO-5 封装，而在大型 TO-3 封装中需要多个额外的支持元件器以及一个外部 2N3055 NPN 功率晶体管。

题外话：颇具传奇色彩的 Bob Widlar 在 1967 年设计了 µA723 可调节稳压器 IC，事实证明该产品具有出色的耐用性。与 Widlar 的很多模拟 IC 设计相同，µA723 稳压器甚至到了今天仍在广泛使用。这款问世长达半个世纪的 IC 还没有太过落伍。

三端子稳压器和 2N3055 功率晶体管固定在铝质面板上，该面板牢固附着在 HP 9878A 的铸铝底座上以便进行散热，板安装型 µA723 可调节稳压器有一个小的卡扣式散热器。使用此设计，散热永远不会成为问题。

即便过了将近 45 年，µA7812 和 µA7912 三端子稳压器现在可能仍然是我们的正确选择，但我不会再选择 µA723 可调节稳压器和外部 2N3055 NPN 传输晶体管。为了最大程度地减少多余的废热量，HP 9878A 中的电源设计需要定制的绕线电源变压器，使得未稳压直流电源轨仅比 5 伏特稳压电源轨高一点。但在当时，HP 拥有自己的变压器车间，因此定制绕线变压器的制作轻而易举。现在情况又不相同了：如果我现在进行设计，我不会使用线性电源。

回到 1975 年，开关电源设计仍处于发展初期。事实上，这种设计更多是一门艺术，而不仅是一门科学，当时能够帮助设计开关电源的 IC 极少。实际上可以说没有。而到了今天，科学发展已有诸多进步，我们有了大量可用的开关电源稳压器 IC，但我仍然认为，要设计可靠的优质开关电源，仍然更多是一门艺术。无论哪一种艺术，艺术家首先必须学习规则。只有这样，他们才能打破规则，发挥他们在这方面的优势。

很多资源都可以帮助您学习开关电源设计的艺术和科学。一些最好的资源包括 Texas Instruments (TI) 为其电源管理实验室套件 (PMLK) 系列开发的评估套件和相关课件。该系列包括：

• PMLK Buck EVM，涵盖 LM3475 和 TPS54160 降压开关稳压器 IC
• PMLK Boost EVM，涵盖 LM5122 和 TPS55340 升压开关稳压器 IC
• PMLK LDO（低压差）EVM，涵盖 TPS7A4901 和 TPS7A8300 可调式正压 LDO

所有这三种产品都包括评估板，另外还配有教材，分别涵盖降压和升压开关电源设计以及低压差稳压器 (LDO)。即便对于开关电源设计，您可能也需要 LDO，以便从稳压开关电源获取多个低电流的稳压电源电压。

所有这些 TI 教材都包括基于评估板的实验。完成这些 PMLK 教材中的所有实验之后，您将对电源科学有深入的了解。我真的希望我在 45 年前就拥有这些资源。