采用MC34063芯片的DCDC電源變換控制器設(shè)計(jì)

1、采用mc34063芯片的dc-dc電源變換控制器設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種采用mc34063芯片的dc-dc電源變換控制器的電源電路設(shè)計(jì)。它提供的直流輸出不僅與供電電源共地，而且有兩組與供電電源隔離。實(shí)驗(yàn)室長期試運(yùn)行表明，各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足數(shù)字與模擬混合電路對電源的要求，沒有跳碼現(xiàn)象，檢測精度不低于0.1%。 關(guān)鍵詞：電源電路；dc-dc 變換；隔離電源在工業(yè)生產(chǎn)過程測控場合，出于安全的考慮，很多安裝于現(xiàn)場的測量控制裝置或測控網(wǎng)絡(luò)的底層節(jié)點(diǎn)設(shè)備都采用低壓直流供電。這些裝置或設(shè)備內(nèi)部的硬件電路常常是基于微處理器的模擬電路與數(shù)字電路的混合硬件電路系統(tǒng)，需要多組直流電源為其數(shù)字電路部分與模擬電路部分分別

2、供電。為了取得良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性與測量精度，一般要求數(shù)字與模擬電路的供電電源相互隔離或一點(diǎn)連接。使用多路輸出電源是解決這一問題的有效途徑 。早期制作多路輸出電源，人們總是把幾個不同的dc-dc變換器組裝起來，這種方式的電路設(shè)計(jì)簡單，但會加大成本，增加供電系統(tǒng)的體積、重量，并且有難以克服的拍頻干擾，在輸出電壓上出現(xiàn)各種振蕩頻率之差的紋波電壓。因此開關(guān)電源的多路輸出技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗挥靡粋€dc-dc變換器，輸出電壓的紋波具有相同的頻率，不會發(fā)生拍頻干擾。目前多路輸出變換器有3種常用的電路形式:獨(dú)立濾波電感的多繞組dc-dc變換器， 耦合電感的多繞組dc-dc變換器， 磁放大器二次穩(wěn)壓

3、的多繞組dc-dc變換器。雖然使用多路輸出變換器模塊比組裝幾個不同dc-dc變換器電路效率高，成本降低，但是對于小型、小功率、低壓控制模塊來說還不是最佳選擇。本文基于多路輸出變換技術(shù)， 采用mc34063 控制芯片，使用少量的外圍元件，設(shè)計(jì)了一種新型、簡單、實(shí)用的多路輸出電路，能為數(shù)字電路和模擬電路同時供電，并使兩者相互隔離。在筆者所查閱的文獻(xiàn)中還沒有看見類似的設(shè)計(jì)方法。mc34063 性能簡介電路的核心元件是mc34063 ，它是一種單片雙極型線性集成電路，專用于dc-dc直流/直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個占空比可控的振蕩器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5a的開關(guān)電流

4、。使用最少的外接元件能夠構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓變換器和反向器。mc34063 的封裝形式為塑封雙列8引線直插式，內(nèi)部電路原理框圖如圖1 所示。 圖1 mc34063 內(nèi)部原理框圖mc34063 電路原理振蕩器通過恒流源對外接在ct 管腳(3 腳)上的定時電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的，振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的c 輸入端在振蕩器對外充電時為高電平，d 輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時為高電平。當(dāng)c 和d輸入端都變成高電平時觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關(guān)管導(dǎo)通;反之當(dāng)振蕩器在放電期間，c 輸入端為低電平，觸發(fā)器被復(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀

5、態(tài)。電流限制通過檢測連接在vcc和5 腳之間電阻上的壓降來完成功能。當(dāng)檢測到電阻上的電壓降接近超過300 mv 時，電流限制電路開始工作，這時通過ct 管腳(3 腳) 對定時電容進(jìn)行快速充電以減少充電時間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。帶隔離輸出的dc-dc變換電路方案電路原理 電路原理如圖2 所示，該電路是在mc34063典型的降壓電路上，用開關(guān)變壓器取代自感線圈實(shí)現(xiàn)的。利用開關(guān)變壓器以獲取隔離直流電源的能量供給。開關(guān)變壓器的副邊交變電壓經(jīng)br1的全波整流，c19 、c20 的濾波，l2 、l3 的高頻遏制及u7 、u8 線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，便可獲取穩(wěn)定的直流輸出。

6、在確定的硬件系統(tǒng)中，用于向數(shù)字系統(tǒng)供電的vcc 電源負(fù)荷是穩(wěn)定的，通過開關(guān)變壓器的交變方波的占空比也是穩(wěn)定的，因此，根據(jù)+ 5 v、- 5 v 的負(fù)荷情況，恰當(dāng)?shù)倪x擇開關(guān)變壓器的鐵芯、骨架參數(shù)及原、副邊匝數(shù)，便可獲得與供電電源、數(shù)字電路電源vcc隔離的+ 5 v 、- 5 v直流輸出。 圖2 帶隔離輸出的dc-dc 變換電路原理圖電路參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開關(guān)變壓器參數(shù) 鐵芯形式: ei22b ，磁導(dǎo)率:2000 h/ m ，骨架參數(shù): ei22210p ，原邊線圈匝數(shù): 60 匝，副邊線圈匝數(shù):40 匝。電源拉偏實(shí)驗(yàn)參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)改變輸入電壓，用萬用表測輸出端電壓，數(shù)據(jù)如表1 。負(fù)荷調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)

7、對3 組直流電源分別接入不同負(fù)載，用萬用表測取輸出電壓，數(shù)據(jù)如表2 。紋波系數(shù) 在一定負(fù)荷下用示波器觀察輸出電壓，測取紋波電壓(峰2峰值) 5mv ，紋波系數(shù)= 5/5000100 % = 0.1%。滿足一般硬件電路對電源的要求。結(jié)論該電路使用元件少，結(jié)構(gòu)簡單，可靠實(shí)用。在數(shù)據(jù)采集器的14位a/ d轉(zhuǎn)換器中，采用上述電源，實(shí)驗(yàn)室長期試運(yùn)行表明:供電穩(wěn)定，無跳碼，檢測精度不低于0.1%。該電路適用于微處理器的模擬電路與數(shù)字電路的混合硬件系統(tǒng)中，需要低壓、小功率、供電場合，如溫度巡檢儀、數(shù)據(jù)采集器等裝置。斬波型開關(guān)電源斬波型開關(guān)電源按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通?？梢苑譃?種：降壓型(buck)、升壓型(boos

8、t)、升降壓型(buck-boost)。降壓型開關(guān)電源電路通常如圖1所示。圖1中，t為開關(guān)管，l1為儲能電感，c1為濾波電容，d1為續(xù)流二極管。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感被充磁，電感中的電流線性增加，電能轉(zhuǎn)換為磁能存儲在電感中。設(shè)電感的初始電流為il0，則流過電感的電流與時間t的關(guān)系為： ilt= il1+(vi-vo-vs)t/l，vs為t的導(dǎo)通電壓。 當(dāng)t關(guān)斷時，l1通過d1續(xù)流，從而電感的電流線性減小，設(shè)電感的初始電流為il1，則則流過電感的電流與時間t的關(guān)系： ilt=il1-(vo+vf)t/l，vf為d1的正向飽和電壓。圖1 降壓型開關(guān)電源基本電路34063的特殊應(yīng)用 擴(kuò)展輸出電流的應(yīng)用

9、dc/dc轉(zhuǎn)換器34063開關(guān)管允許的峰值電流為1.5a，超過這個值可能會造成34063永久損壞。由于通過開關(guān)管的電流為梯形波，所以輸出的平均電流和峰值電流間存在一個差值。如果使用較大的電感，這個差值就會比較小，這樣輸出的平均電流就可以做得比較大。例如，輸入電壓為9v，輸出電壓為3.3v，采用220h的電感，輸出平均電流達(dá)到900ma，峰值電流為1200ma。單純依賴34063內(nèi)部的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)比900ma更高的輸出電流不是不可以做到，但可靠性會受影響。要想達(dá)到更大的輸出電流，必須借助外加開關(guān)管。圖2和圖3是外接開關(guān)管降壓電路和升壓電路。圖2 升壓型達(dá)林頓及非達(dá)林頓接法圖3 降壓型達(dá)林頓及非達(dá)林

10、頓接法采用非達(dá)林頓接法，外接三極管可以達(dá)到飽和，當(dāng)達(dá)到深度飽和時，由于基區(qū)存儲了相當(dāng)?shù)碾姾?，所以三極管關(guān)斷的延時就比較長，這就延長了開關(guān)導(dǎo)通時間，影響開關(guān)頻率。達(dá)林頓接法雖然不會飽和，但開關(guān)導(dǎo)通時壓降較大，所以效率也會降低。可以采用抗飽和驅(qū)動技術(shù)，圖4所示，此驅(qū)動電路可以將q1的vce保持在 0.7v以上，使其導(dǎo)通在弱飽和狀態(tài)。圖4 抗飽和驅(qū)動電路利用一片34063就可以產(chǎn)生三路電壓輸出，如圖5所示。 圖5 輸出3路電壓的34063電路+vo的輸出電壓峰值可達(dá)2倍v_in，-vo的輸出電壓可達(dá)-v_in。需要注意的是，3路的峰值電路不能超過1.5a，同時兩路附加電源的輸出功率和必須小于v_in

11、i(1-d)，其中i為主輸出的電流，d為占空比。在此兩路輸出電流不大的情況下，此電路可以很好地降低實(shí)現(xiàn)升壓和負(fù)壓電源的成本。 具有關(guān)斷功能的34063電路34063本身不具有關(guān)斷功能，但可以利用它的過流飽和功能，增加幾個器件就可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷功能，同時還可以實(shí)現(xiàn)延時啟動。圖6是具有關(guān)斷功能的34063電路，r4取510，r6取3.9k。當(dāng)控制端加一個高電平，則34063的輸出就變成0v，同時不影響它的過流保護(hù)功能的正常工作。將此電路稍加改動，就可以得到具有延時啟動功能的34063電路，如圖7所示。取c11為1f，r10為510，就可以達(dá)到200500ms的啟動延時(延時時間和輸入電壓有關(guān))。這個電

12、路的缺點(diǎn)就是當(dāng)峰值電流過流時無法起到保護(hù)作用，只能對平均電流過流起保護(hù)作用。 恒流恒壓充電電路恒壓恒流充電電路如圖8所示，可用于給蓄電池進(jìn)行充電，先以500ma電流恒流充電，充到13.8v后變?yōu)楹銐撼潆姡潆婋娏髦饾u減小。34063的局限性由34063構(gòu)成的開關(guān)電源雖然價格便宜、應(yīng)用廣泛，但它的局限性也是顯而易見的。主要有以下幾點(diǎn)：(1)效率偏低。對于降壓應(yīng)用，效率一般只有70%左右，輸出電壓低時效率更低。這就使它不能用在某些對功耗要求嚴(yán)格的場合，比如usb提供電源的應(yīng)用。(2)占空比范圍偏小，約在15%80%，這就限制了它的動態(tài)范圍，某些輸入電壓變化較大的應(yīng)用場合則不適用。(3)由于采用開環(huán)

13、誤差放大，所以占空比不能鎖定，這給電路參數(shù)的選擇帶來麻煩，電感量和電容量不得不數(shù)倍于理論計(jì)算值，才能達(dá)到預(yù)期的效果。雖然34063有許多缺點(diǎn)，但對產(chǎn)品利潤空間十分有限的制造商來說，它還是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的很好選擇。圖6 具有關(guān)斷功能的34063電路圖7 具有延時啟動功能的34063電路圖8 恒壓恒流充電電路開關(guān)電源的頻率和adsl性能對于adsl來說，上行信道分布在30100khz之間，下行信道分布在100khz1.1mhz之間。長線連接速率常常是衡量adsl性能的一個重要指標(biāo)，但在線路很長的時候，下行信道中高頻信道衰減得很厲害，所以此時下行低頻段的信噪比對長線連接速率就起著至關(guān)重要的作用。開關(guān)電

14、源的輸出含有開關(guān)頻率基頻及其諧波的紋波成分，一般從基波到10次諧波的能量都比較大。如果開關(guān)頻率為20khz，它的諧波為40khz、60khz、80khz。這樣，從100300khz的下行信道中就會有10個干擾的頻率點(diǎn)。而如果開關(guān)頻率為100khz，則干擾點(diǎn)就下降為2個，如果開關(guān)頻率為1mhz，則下行信道就不會受到干擾，這樣就能極大提高下行信道的性能。器件選擇要點(diǎn)(1)只如果外接開關(guān)管，最好選擇開關(guān)三極管或功率mos 管，注意耐壓和功耗。(2)如果開關(guān)頻率很高，電感可選用多線并繞的，以降低趨膚效應(yīng)的影響。(3)續(xù)流二極管一般選恢復(fù)時間短、正向?qū)妷盒〉男ぬ鼗O管，但要注意耐壓。如果輸出電壓很

15、小(零點(diǎn)幾伏)，就必須使用mos管續(xù)流。輸出濾波電容一般使用高頻電容，可減小輸出紋波同時降低電容的溫升。在取樣電路的上臂電阻并一個0.11f電容，可以改善瞬態(tài)響應(yīng)。pcb布局和布線的要點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷都存在一個電流環(huán)路，這兩個環(huán)路都是高頻、大電流的環(huán)路，所以在布局和布線時都要將此二環(huán)路面積設(shè)計(jì)得最小。用于反饋的取樣電壓要從輸出電容上引出，并注意芯片或開關(guān)管的散熱。mc34063的封裝形式為塑封雙列8引線直插式，內(nèi)部電路原理框圖如圖一所示。 mc34063具有以下特點(diǎn)： 1、能在3.0 40v的輸入電壓下工作。 2、帶有短路電流限制功能。 3、低靜態(tài)工作電流。 4、輸出開關(guān)電流可達(dá)1.5a(無外

16、接三極管)。 5、輸出電壓可調(diào)。 6、工作振蕩頻率從100hz至100khz。 7、可構(gòu)成升壓降壓或反向電源變換器 由于內(nèi)置有大電流的電源開關(guān)，mc34063能夠控制的開關(guān)電流達(dá)到1.5a，內(nèi)部線路包含有參考電壓源、振蕩器、轉(zhuǎn)換器、邏輯控制線路和開關(guān)晶體管。 參考電壓源是溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源，振蕩器的振蕩頻率由3腳的外接定時電容決定，開關(guān)晶體管由比較器的反向輸入端和與振蕩器相連的邏輯控制線路置成on，并由與振蕩器輸出同步的下一個脈沖置成off。 電路原理 圖一內(nèi)部框圖中所表示的電路解釋如下： 振蕩器通過恒流源對外接在ct管腳(3腳)上的定時電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是

17、恒定的，所以振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的c輸入端在振蕩器對外充電時為高電平，d輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時為高電平，當(dāng)c和d輸入端都變成高電平時觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關(guān)管導(dǎo)通，反之當(dāng)振蕩器在放電期間，c輸入端為低電平，觸發(fā)器被復(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。 電流限制si檢測端(5腳)通過檢測連接在v+和5腳之間電阻上的壓降來完成功能。當(dāng)檢測到電阻上的電壓降接近超過300mv時，電流限制電路開始工作，這時通過ct管腳(3腳)對定時電容進(jìn)行快速充電以減少充電時間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。 典型應(yīng)用： 圖二是進(jìn)行降壓式的dc-dc轉(zhuǎn)換應(yīng)用。其輸出電壓值可通過改變r4、r5電阻值來進(jìn)行調(diào)整，其輸出電壓符合以下公式：vout=(1+r4/r5)*1.25v 電路中限流電阻取值為0.15