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（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

基于MC34063的高升壓比單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)研究

亓?xí)酝?/p>

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

針對(duì)直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，在低輸入直流電壓下，以簡(jiǎn)單易行的方式獲得高升壓比直流輸出的困難，使用在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中廣泛使用的MC34063單片電源控制芯片，通過增加高頻升壓變壓器，給出了具有高升壓比變換能力的升壓型開關(guān)電源設(shè)計(jì)結(jié)果，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可用于僅有低壓直流電源供電而需要較高直流電壓輸出的小功率應(yīng)用場(chǎng)合。

單片開關(guān)電源；直流／直流升壓變換器；高升壓比；MC34063；高頻變壓器

0 引 言

在電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要電壓等級(jí)較高的直流電源，而系統(tǒng)僅有低壓直流電源提供，例如某些車載系統(tǒng)僅有12 V的蓄電池供電，這時(shí)使用升壓變換器獲得高電壓等級(jí)的直流輸出是一條有效的途徑。常規(guī)的Boost升壓變換器升壓比有限，難以獲得大升壓比的直流輸出電壓，因此研究在不需大規(guī)模增加電路復(fù)雜程度的情況下，獲得高升壓比的升壓變換方式有實(shí)際意義。MC34063是一種上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的單片雙極性線性升降壓型集成開關(guān)電源控制電路［1］，在小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)中獲得了廣泛應(yīng)用［2－5］，MC34063片內(nèi)包括含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1．5 A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓變換器，例如文獻(xiàn)［2］給出了一種輸入電壓5 V，輸出15 V的小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，使用元件少，輸出電壓紋波小，因此應(yīng)用廣泛。

本文以MC34063為核心控制芯片，通過增加輸出升壓變壓器，實(shí)現(xiàn)了基于MC34063的大升壓比開關(guān)電源設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指標(biāo)優(yōu)異，元件少，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)方案

1．1 技術(shù)指標(biāo)要求

電源的技術(shù)指標(biāo)為：

（1）輸入電壓12 V±10%；

（2）額定輸出電壓100 V；

（3）額定輸出電流10 mA；

（4）輸出電壓紋波0．5%。

1．2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

MC34063芯片輸入電壓范圍為3～40 V，輸出電壓范圍為1．25～40 V，具有短路電流限制、低靜態(tài)電流、輸出電壓可調(diào)、工作振蕩頻率為100 Hz～100 kHz等特點(diǎn)。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，MC34063工作在升壓工作模式，因?yàn)樗淖罡咻敵鲭妷簝H為40 V，不能滿足技術(shù)指標(biāo)要求需要，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮增加一級(jí)輸出升壓變壓器電路，即可發(fā)揮MC34063電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，增加元件數(shù)也少，有利于和被供電系統(tǒng)集成于一塊電路板上，減小系統(tǒng)的整體體積。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。可見與MC34063用于常規(guī)升壓電路相比，僅是將升壓電感變成了升壓變壓器，因此設(shè)計(jì)方案保持了該芯片應(yīng)用所具有的優(yōu)勢(shì)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

2．1 MC34063的工作原理

圖2給出了MC34063電源控制芯片引腳圖及原理框圖。各引腳功能如下：

1腳：開關(guān)管T1集電極引出端；

2腳：開關(guān)管T1發(fā)射級(jí)引出端；

3腳：定時(shí)電容CT接線端，調(diào)節(jié)CT可以時(shí)工作頻率在100 Hz～100 kHz內(nèi)變化；

4腳：電源地；

5腳：電壓比較器反相輸入端，同時(shí)也是輸出電壓取樣端；

6腳：電源端；

7腳：負(fù)載峰值電流IPK取樣端，6、7腳之間的電壓超過300 mV時(shí)，芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過流保護(hù)功能；

8腳：驅(qū)動(dòng)管T2集電極引出端。

圖2 MC34063電源控制芯片引腳圖及原理框圖

振蕩器通過恒流源對(duì)外接定時(shí)電容CT（管腳3）不斷的充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流恒定，振蕩器的頻率僅取決于外接定時(shí)電容的容量。與門的C輸入端在振蕩器對(duì)外充電時(shí)為高電平，D輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時(shí)為高電平。當(dāng)C和D輸入端都變成高電平時(shí)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)。電流限制通過檢測(cè)連接在輸入電源與5腳之間的電阻上的壓降來完成。當(dāng)檢測(cè)到電阻上的電壓降接近超過300 mV時(shí)，電流限制電路開始工作，這時(shí)通過CT管腳對(duì)定時(shí)電容進(jìn)行快速充電以減少充電時(shí)間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。

2．2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）關(guān)斷時(shí)間toff與導(dǎo)通時(shí)間ton

變壓器在本設(shè)計(jì)中主要起到隔離和升壓的作用，考慮到輸出電壓為100 V的設(shè)計(jì)要求，擬設(shè)計(jì)變壓器原、副匝數(shù)比為N1／N2＝1／4。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，求出芯片MC34063導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的比值為：

其中VF為續(xù)流二極管D1的導(dǎo)通壓降，Vsat為MC34063中三極管T1的飽和電壓。

考慮到芯片溫升等因素，取開關(guān)頻率為35 kHz，可求得工作周期Ts：

進(jìn)一步求得額定輸入電壓下的關(guān)斷時(shí)間toff與導(dǎo)通時(shí)間ton：

（2）定時(shí)電容CT

根據(jù)MC34063中外接時(shí)間適配電容CT的值的計(jì)算公式，計(jì)算CT：

取標(biāo)稱值1 nF。

（3）限流電阻R1

負(fù)載電流為Io，負(fù)載峰值為IPK：

通過在在MC34063的6、7腳之間串聯(lián)一個(gè)采樣電阻R1，并監(jiān)控該電阻兩端電壓的跌落情況來實(shí)現(xiàn)限流。當(dāng)電阻兩端電壓大于300 mV（datasheet中可以查到Vipk（sense）的典型值為300 mV）時(shí)，說明電流過大，內(nèi)部電流保護(hù)電路將會(huì)再開啟多一個(gè)電流通道對(duì)時(shí)間適配電容CT進(jìn)行充電，使得CT以更快的充電速度充電至其最高閥值電壓，從而縮短了ton的時(shí)間，使得變壓器所儲(chǔ)存的能量變少，起到了電流限制的控制目的。R1的計(jì)算公式為：

（4）驅(qū)動(dòng)電阻R2

結(jié)合圖2的MC34063原理框圖，圖1中驅(qū)動(dòng)電阻R2的值可以通過下面的計(jì)算求得，取MC34063中晶體管的共射電流放大系數(shù)β為20。則：

其中，IB（T1）是指圖2中晶體管T1的基極電流；I100（T2）是指圖2中MC34063的晶體管T2的發(fā)射極串聯(lián)的100Ω電阻所流過的電流；IC（T2）是指圖2中晶體管T2的集電極電流。

（5）分壓電阻R3和R4

輸出電壓Vout需要通過分壓得到一個(gè)1．25 V的電壓反饋到根據(jù)MC34063A的第5腳，本設(shè)計(jì)所有采用兩個(gè)電阻R3與R4串聯(lián)的分壓方式，并且R3與R4滿足關(guān)系：

取R4＝1 kΩ，則，R3（max）＝81．4 kΩ，取R3＝82 kΩ。

（6）變壓器的設(shè)計(jì)

由開關(guān)工作頻率，選擇R2KS鐵氧體材料做磁芯，其參數(shù)如表1，磁芯的結(jié)構(gòu)為EE型，磁芯尺寸參數(shù)如表2，外形參數(shù)圖如圖3所示。

表1 R2KS鐵氧體材料參數(shù)

由于開關(guān)頻率為fs＝35 kHz，先初選最高工作磁密度Bm＝100 mT，由表2知EE42B磁芯的有效導(dǎo)磁面積Ae＝178 mm2。先計(jì)算副邊匝數(shù)，副邊的匝數(shù)N2可由下式?jīng)Q定：

式中N2的單位為匝；Ae為磁芯的有效導(dǎo)磁截面積，單位為（m2）；fs是開關(guān)頻率，單位為赫茲（Hz）；Bm的單位為特斯拉（T）。

表2 EE磁芯規(guī)格表

對(duì)于本設(shè)計(jì)：取Vout（min）＝100．7 V，Dsec（max）＝24．2／28．6＝0．85，Ae＝178 mm2，fs＝35×103Hz，得：N2＝34．4，取35匝，根據(jù)原副邊匝數(shù)比，可以計(jì)算出原邊匝數(shù)為N1＝ k·N2＝8．75．實(shí)際實(shí)驗(yàn)中取原邊匝數(shù)為9匝，則副邊為36匝。

圖3 EE磁芯尺寸示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 高升壓比變換器在額定負(fù)載下的輸出電壓波形圖

按照設(shè)計(jì)參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)電路，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)條件為輸入電壓12 V，輸入電壓變化范圍±10%，負(fù)載為標(biāo)稱值10 kΩ／1W的電阻，圖4、圖5分別給出了所設(shè)計(jì)的高升壓比DC／DC變換器在額定負(fù)載下的輸出電壓和輸出紋波實(shí)驗(yàn)波形。由圖4可見，輸出電壓V0達(dá)到了100 V的輸出設(shè)計(jì)指標(biāo)；由圖5可見，輸出電壓的紋波與尖峰噪聲ΔV0僅占2格，峰峰值約400 mV，紋波與尖峰噪聲優(yōu)于指標(biāo)中所提輸出電壓紋波小于0．5%的要求。

圖5 高升壓比變換器的輸出電壓紋波和尖峰噪聲波形圖

4 結(jié)束語

MC34063是一款用于單片DC－DC變換器的專用芯片，外圍元減少，使用方便，但是它的輸入和輸出電壓最大不能超過40 V，不能滿足所設(shè)計(jì)電源技術(shù)指標(biāo)中額定輸出電壓為100 V的設(shè)計(jì)要求，為此，本設(shè)計(jì)引入變壓器代替MC34063典型應(yīng)用電路中的電感，使得電壓輸出達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)理念。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過電路測(cè)試證明，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并且性能穩(wěn)定。對(duì)于較大功率需求的高升壓比輸出應(yīng)用場(chǎng)合，本電路使用元件少的設(shè)計(jì)理念也有指導(dǎo)意義，只是要增加外部大功率驅(qū)動(dòng)管來支撐大功率輸出，電路仍然簡(jiǎn)潔，且實(shí)現(xiàn)方便，因此有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

［1］張建民，姚佶，何怡剛，等．姚基于ATmega16單片機(jī)的電能收集充電器設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（2）：135－136，140．

［2］陳沛豐．基于MC34063A的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)及外圍器件參數(shù)計(jì)算［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2012，41（5）：90－94．

［3］趙軒坤，楊日杰，龔思揚(yáng)，等．基于MC34063的隔離式DC－DC電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2012，35（12）：35－37．

［4］唐美玲，趙佑初．基于MC34063的斬波型開關(guān)電源的典型設(shè)計(jì)與研究［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2011，14（2）：54－59．

［5］管小明，李躍忠，王曉娟．基于MC34063的便攜式儀器電源電路設(shè)計(jì)［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（1）：97－100．

A Study on the Design of MC34063-based High Step-up Ratio Monolithic Sw itch Power Supply

QIXiao-tong
（College of Information Engineering ofWuhan University of Technology，Wuhan Hubei430070，China）

As it is difficult to obtain a DC outputofhigh step-up ratio in a simple and practicableway under a low inputDC voltage in the design of DC switch power supplies，MC34063，amonolithic power supply control chip extensively applied in the design of switch power supply，combined with a high-frequency boost transformer，give a boost switch power supply design with high step-up ratio，which，characterized through simple structure，limited number of elements and easy usage，is applicable to small power occasionswhere only low-voltage DC power supply is available and relatively high DC voltage output is needed．

monolithic switch power supply；DC／DC boost converters；high step-up ratio；MC34063；high frequency transformer

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．008

TP46

A

1000－3886（2014）04－0023－03

亓?xí)酝?992－），女，山東萊蕪人，大學(xué)本科，當(dāng)前主要在電子電氣及信息領(lǐng)域開展學(xué)習(xí)和研究工作。

定稿日期：2014－03－28