基于 MAX668 的辉光管升压方案
在文章 DIY 辉光管时钟中，笔者介绍了自己设计辉光管时钟数字逻辑部分的一些思路。除此之外，升压电路也是在驱动辉光管时必不可少的组件，但由于当时缺乏设计经验，所以没有研究这个问题，而是买了一个成品的基于 MC34063 的升压电路板。这个方案其实是有一些问题的，比如说需要 12V 输入电压才能工作，并且转换效率有待商榷。所以笔者决定自己设计一个升压电路，这样就可以完全掌握整个电路的设计。
当然，我还没有能力完全从零开始设计这样一个电路，得先参考一下现有的解决方案。目前市面上已有的方案，除了 MC34063，还有 MAX1771 和 LM3481 等。经过搜索，发现 OMNIXIE 出品的 NCH8200HV 非常满足我的需求。它的体积非常小巧，集成起来很方便，并且只需要 5V 输入就可以驱动。但是，OMNIXIE 为了保护版权，没有公开 NCH8200HV 的原理图，售卖的成品中两个 IC 和一个二极管上的丝印也被打磨掉了。通过肉眼识别，可以发现电路板上有一个型号为 TTRN-060S-054 的变压器，和阻值分别为 0.01 欧、499 千欧、69.8 千欧和 10 兆欧的贴片电阻。
结合这些信息，可以搜索得到一个开源的升压电路原理图：辉光管 5V-170V 升压测试模块原理图 PCB 工程文件。这个方案基于 MAX668 芯片和型号为 TPH1R403NL 的 MOS 管。其中，69.8 千欧和 10 兆欧的电阻是为了分压进行电压反馈，而 0.01 欧的电阻是电流采样电阻；499 千欧的电阻则是控制 MAX668 输出的 PWM 频率。通过观察 NCH8200HV 上一些关键元件的连接方式，可以判断出这个开源的原理图使用的是与之相同的拓扑：耦合电感式的 Boost 电路。
确定了使用 MAX668 的方案之后，就可以来设计电路了。这是笔者使用的原理图：
需要注意的是，输出电容 C5 的耐压有要求，可以选择 200V 的型号。MOS 管可以替换成其它的型号，例如 FDMS86520L。
失败的尝试
按照这个原理图，笔者简单地设计了一下 PCB，然后在嘉立创打样制作了出来。但是，在焊接完成后，发现 HV 的输出电压并没有达到预期的 170V 左右，而是只有 70V。经过测量，发现 MAX668 控制 MOS 管开关的 PWM 占空比只有大约 2.5%，这意味着升压电路没有满功率运作。
经过进一步的排查，发现 MAX668 的 REF 对地电压存在非常大的噪音：
REF 按照设计会提供一个 1.25V 的电压，并与 FB 上反馈的电压进行比较，如果 FB 不断增长并超过了 REF，那么 MAX668 便会逐渐减小输出。然而，由于这版 PCB 设计上的问题，接地线的阻抗有点大；当 MOS 管导通时，产生的电流会对 REF 的电压产生干扰。结果就是，REF 的电压在震荡中低于了 FB（虽然实际上升压比还远远没有达到要求），于是 MAX668 错误地减小了输出。
这个错误也是由于之前没有设计过任何开关电源电路，缺乏经验造成的。了解清楚原因之后，重新设计电路板，并将地线大量铺铜就可以了。将数字地和功率地分开进行单点接地应该也可以缓解这个问题。
此外，还发现另一个问题是使用 Type-C to Type-C 的电源线供电不成功，但使用 Type-A 转 Type-C 的线则没有问题。解决方案是增加两个 5.1K 的下拉电阻，这一点已经在原理图中更新了。
重新设计 PCB
重新设计后的 PCB 如下图所示。C1 和 C5 采用 1812 封装，R2 是 1206，其余电阻电容元件是 0805。这主要是为了手工焊接方便一点，如果要求布局紧凑一些，0805 的元件也可以换成更小的。铺铜的方式则是在顶层和底层都为 GND 铺铜，并通过过孔连接起来。由于自动布线没有灵魂，这一版 PCB 的布线都是手工完成的。
再次测试，新的电路板可以成功地输出 174V 电压，驱动 6 只 IN-14 辉光管也没有什么问题。
电路原理图和 PCB 源文件见嘉立创 EDA 开源硬件平台。因为偷懒直接用嘉立创的在线 EDA 改的，结果发现有很多元件的信息没有更新成功，虽然 BOM 表是对的，但如果直接在立创商城下单可能会有问题。之后有机会再用 Altium Designer 重新设计一下。