一款火了四十年的芯片

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誕生于 20 世紀(jì) 80 年代的摩托羅拉 DC-DC 控制器，已成為“夠用就好”電源轉(zhuǎn)換方案的通用答案。

摩托羅拉在 80 年代初期推出的 MC34063，將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的核心要素濃縮進(jìn)一個(gè) 8 引腳集成電路（IC）中。只需配合極少數(shù)的無(wú)源器件，它就能實(shí)現(xiàn)降壓（Buck）、升壓（Boost）或反向（Inverting）變換。雖然它的效率從未達(dá)到領(lǐng)先水平，但憑借低廉的成本、極高的簡(jiǎn)潔性和無(wú)處不在的通用性，它成為了生產(chǎn)史上壽命最長(zhǎng)的模擬控制 IC 之一。

MC34063 雖然低調(diào)，但支持 3 V 至 40 V 的輸入電壓。圖片由 Futurlec 提供。

面向大眾的“糖果級(jí)”電源方案

懷舊電子元器件的經(jīng)久不衰通常有兩個(gè)原因：要么是因?yàn)樗鼈兙哂虚_(kāi)創(chuàng)性，例如證明了半導(dǎo)體可以取代磁芯存儲(chǔ)器的 Intel 1103 DRAM；要么是因?yàn)樗鼈儗⒊橄蟾拍顚?shí)體化了，例如標(biāo)準(zhǔn)化了現(xiàn)代運(yùn)算放大器的 μA741。而 MC34063 的生存之道則完全不同：它在電子行業(yè)急需廉價(jià)、通用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換方案的時(shí)刻，精準(zhǔn)地?fù)糁辛恕肮δ軌蛴谩边@一甜點(diǎn)位。

在 80 年代初期，大多數(shù)低成本設(shè)計(jì)仍默認(rèn)使用線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器雖然簡(jiǎn)單且性能可預(yù)測(cè)，但能源損耗極大。雖然當(dāng)時(shí)也存在專用的開(kāi)關(guān)控制器，但它們通常針對(duì)特定應(yīng)用、功能專一，且價(jià)格昂貴。相比之下，摩托羅拉提供了一種單片式解決方案：它可以配置為降壓、升壓或反向轉(zhuǎn)換器；不需要外部振蕩器；并集成了 1.25 V 基準(zhǔn)電壓源、比較器、驅(qū)動(dòng)級(jí)和一個(gè) 1.5 A 的峰值電流開(kāi)關(guān)。

它談不上優(yōu)雅，也不夠高效，但其靈活性驚人。短短幾年內(nèi)，這款 IC 遍地開(kāi)花。車(chē)載適配器用它將 12 V 降至 5 V，調(diào)制解調(diào)器和機(jī)頂盒用它產(chǎn)生微弱的負(fù)電壓軌。電子愛(ài)好者套件也廣泛采用它，因?yàn)橹灰獏⒖紨?shù)據(jù)手冊(cè)里的公式就能完成設(shè)計(jì)。正如 CD4000 系列 成為 CMOS 邏輯電路的“萬(wàn)能膠水”一樣，MC34063 成為了開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的“糖果級(jí)（Jellybean）”控制器。

34063 內(nèi)部探秘

從技術(shù)角度來(lái)看，MC34063 即便是在當(dāng)時(shí)也顯得保守。與 80 年代興起的更先進(jìn)的 PWM（脈寬調(diào)制）控制器不同，它采用了一種基于簡(jiǎn)易斜坡發(fā)生器的“恒定導(dǎo)通時(shí)間、變頻”架構(gòu)。定時(shí)電容（CT）在兩個(gè)閾值之間充放電，設(shè)定最大導(dǎo)通時(shí)間，同時(shí)比較器將反饋信號(hào)與內(nèi)部 1.25 V 基準(zhǔn)源進(jìn)行對(duì)比。其結(jié)果是由弛張振蕩器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)：當(dāng)輸出下降時(shí)開(kāi)啟，當(dāng) CT 達(dá)到上限時(shí)關(guān)閉。

MC34063 框圖。圖片由 Alldatasheet 提供。

由于該芯片無(wú)法提前終止周期，負(fù)載瞬變通常會(huì)導(dǎo)致跳周期現(xiàn)象和明顯的紋波。頻率會(huì)隨輸入電壓和負(fù)載的變化而漂移，如果沒(méi)有額外的濾波，其電磁干擾（EMI）表現(xiàn)難以預(yù)測(cè)。此外，由于內(nèi)部使用的是雙極型開(kāi)關(guān)管，根據(jù)配置不同，其飽和壓降產(chǎn)生的功耗在低壓應(yīng)用中相當(dāng)可觀。

但這種設(shè)計(jì)也有其優(yōu)勢(shì)。由于只需一個(gè)電容來(lái)設(shè)定定時(shí)，其行為極易預(yù)測(cè)且易于教學(xué)，就像 741 的內(nèi)部補(bǔ)償讓幾代模擬電路設(shè)計(jì)者倍感親切一樣。其限流電路通過(guò)檢測(cè)一個(gè)小電阻上幾百毫伏的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)，確保了芯片能夠承受誤操作。雖然它缺乏過(guò)熱關(guān)斷等現(xiàn)代功能，但它幾乎可以被塞進(jìn)任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，且無(wú)需重新進(jìn)行大規(guī)模設(shè)計(jì)。

其內(nèi)部?jī)H包含 50 多個(gè)晶體管，這種極低的集成度甚至連小型代工廠都能復(fù)刻。這也是為什么市面上出現(xiàn)了幾十種不同名稱的克隆版本，讓這種架構(gòu)在摩托羅拉半導(dǎo)體業(yè)務(wù)幾經(jīng)易手后依然長(zhǎng)盛不衰。

工程師們又愛(ài)又嫌的穩(wěn)壓器

MC34063 并不是靠性能碾壓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而是靠一種獨(dú)特的悖論建立了自己的地位，這也是許多長(zhǎng)壽 IC 的共同特征：極廣的實(shí)用性與較低的期望值。Intel 2708 EPROM 需要三組供電軌和紫外線窗口才能擦寫(xiě)，但它對(duì)早期的微型計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)必不可少，因?yàn)樗蓛衾涞亟鉀Q了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。MC34063 在電力電子領(lǐng)域扮演了類似的角色：它不是最好的穩(wěn)壓器，但它是那個(gè)讓 DC-DC 轉(zhuǎn)換變得人人可及的工具。

隨著開(kāi)關(guān)電源成為標(biāo)配，設(shè)計(jì)師們開(kāi)始轉(zhuǎn)向更快、更高效的控制器。同步整流拓?fù)洹OSFET 驅(qū)動(dòng)器、固定頻率 PWM 以及集成功率級(jí)，使得 MC34063 在現(xiàn)代產(chǎn)品中幾乎失去了技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)力。然而，它在分銷(xiāo)市場(chǎng)上依然屹立不倒，因?yàn)樗墓δ芗廊黄ヅ湫〖译姟⒐I(yè)控制器和低成本設(shè)計(jì)的需求——在這些領(lǐng)域，成本和簡(jiǎn)潔性往往重于性能。

時(shí)至今日，如果你拆開(kāi)一個(gè)廉價(jià)的車(chē)載充電器或雜牌路由器，你仍能發(fā)現(xiàn)這個(gè) 8 引腳控制器的變體。它在看起來(lái)比芯片本身還老舊的玻纖板上調(diào)節(jié)著幾百毫安的電流。它的存在與 CD4000 CMOS 或 741 運(yùn)放的原因如出一轍——因?yàn)樵诠こ探绲脑S多角落，“夠用”依然是最終的贏家。

https://www.allaboutcircuits.com/news/mc34063-the-switching-regulator-that-defined-cheap-power/

（來(lái)源：allaboutcircuits）

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