基于MC34063的開關(guān)電源電路參數(shù)計(jì)算方法

開關(guān)電源以其高效率、小型、重量輕的特點(diǎn)被用于幾乎所有的電子設(shè)備，是電子信息行業(yè)飛速發(fā)展中不可缺少的一種電源。而在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源芯片外圍電路各參數(shù)設(shè)計(jì)是關(guān)系到開關(guān)電源穩(wěn)定可靠工作非常重要的一環(huán)。MC34063是一種振蕩頻率可變的電流檢測型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，按照其規(guī)格書對(duì)其外圍電路設(shè)計(jì)，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，輸出電壓往往不能穩(wěn)定在目標(biāo)電壓值。針對(duì)此問題，本文對(duì)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)參數(shù)的合理性。

1MC34063電路介紹

1.1MC34063基本特性

MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-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(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1.5A的開關(guān)電流。通過不同外圍電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、電壓反向等功能。其基本特點(diǎn)如下：輸入電壓在6~40V之間;短路電流限制;低靜態(tài)電流;輸出開關(guān)電流可達(dá)1.5A(無外接三極管);輸出電壓可調(diào);振蕩電容為470pF，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，其工作振蕩頻率從50KHz到55KHz，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，其工作頻率可達(dá)80KHz。

1.2MC34063的工作原理

MC34063的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。振蕩器通過恒流源對(duì)外接在CT管腳(3腳)上的定時(shí)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(當(dāng)負(fù)載恒定時(shí))，振蕩頻率僅取決于外接定時(shí)電容的容量。在圖1中，與門的一端接在振蕩器輸出端，在振蕩器對(duì)外充電達(dá)到某個(gè)閾值電平時(shí)振蕩器輸出翻轉(zhuǎn)為高電平。與門另一端接在比較器的輸出端，當(dāng)比較器的反相輸入端低于1.25V時(shí)，比較器輸出高電平。當(dāng)與門的兩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)振蕩器的電容在放電期間輸出低電平，觸發(fā)器被復(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1MC34063內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過檢測連接在VCC(6腳)和7腳之間采樣電阻上的壓降來完成電流限制，當(dāng)檢測到電阻上的電壓降達(dá)到300mV時(shí)，電流限制電路將振蕩器的充電過程強(qiáng)制成放電過程，迫使振蕩器的輸出為低電平，使觸發(fā)器復(fù)位，關(guān)閉輸出開關(guān)管。

2MC34063降壓電路設(shè)計(jì)

在白色家電中，通常需要將繼電器使用的+12V轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路使用的+5V電源。利用MC34063可以實(shí)現(xiàn)高效廉價(jià)的轉(zhuǎn)換電路。例如，將+12V轉(zhuǎn)化+5V、輸出電流為0.5A的電源，其輸出的濾波波動(dòng)電壓Vop為50mV?，F(xiàn)有的計(jì)算方法在對(duì)電感及輸出端電容的計(jì)算上與實(shí)際值存在一定差距。本設(shè)計(jì)通過輸出電容上電壓的變化，利用過渡過程進(jìn)行分析，并計(jì)算出MC34063電路中電感L1以及輸出電容C3兩個(gè)關(guān)鍵器件的值。

根據(jù)要求，由12V變?yōu)?V，則開關(guān)電源的占空比為：

D=5/12=0.42 (1)

MC34063通過的最大輸入電流Iimax為：Iimax/D=0.5/0.42=1.19A (2)

MC34063降壓電路如圖2所示。

圖2MC34063降壓電路+12V轉(zhuǎn)+5V

2.1電阻參數(shù)的選擇

降壓電路中電阻分為輸入端的限流電阻和回路采樣電阻。降壓電路中限流電阻R1的阻值為：

R1=Vipk/Iimax=0.3/1.19=0.252Ω (3)

故，R1選擇1%精度的0.24Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

采樣回路電阻R2和R3要對(duì)輸出回路分流，為了減少功耗，R2與R3選擇千歐級(jí)別電阻，因此選擇R2為3.6kΩ(1%精度)，R3為1.2kΩ(1%精度)。

2.2電感L1與輸出濾波電容C3的計(jì)算

本設(shè)計(jì)的振蕩電容C2采用推薦的470pF電容，這樣，開關(guān)電源芯片的最小工作頻率為50kHz。則開通時(shí)間Ton與關(guān)斷時(shí)間Toff分別為：

Ton=0.42/50000=8.4uS (4)

Toff=(1-0.42)/50000=11.6uS (5)

峰值電流Ipk與最大輸出電流Iomax：

Ipk=Vipk/R1=0.3/0.24=1.25A (6)

Iomax=D*Ipk=0.42*1.25=0.525A (7)

因?yàn)V波波動(dòng)電壓Vop=50mV，則輸出的變化范圍為5/2?Vop，即[4.975V，5.025V]。輸出電容C3最大電壓為5.025V，最小電壓為4.975V，放電的初始狀態(tài)為零輸入響應(yīng)(Toff狀態(tài))，則有：

考慮到鋁電解電容有20%的偏差，則C3=116uF/0.8=145uF，選擇20%精度的標(biāo)準(zhǔn)容值220uF。

在Ton狀態(tài)，根據(jù)能量守恒(L1儲(chǔ)能，電容C3充電，負(fù)載消耗電能)有：

電容C3的充電電流為：

?C3的充電電流大于輸入峰值電流Iipk，其原因是C3電容容量實(shí)際值比計(jì)算值大所致。所以，實(shí)際C3的充電電流與其濾波波動(dòng)電壓分別為：

為避免達(dá)到芯片限制電流，電感的電流IL1按照限制電流的0.8倍來計(jì)算，即，IL1=1.25*0.8=1A。這樣，對(duì)上式整理并計(jì)算，得：L=42.08uH。由于電感有20%的偏差，則L=42.08uH/0.8=52.6uH，選擇20%精度的標(biāo)準(zhǔn)感值68uH。

2.3其他器件參數(shù)選擇

續(xù)流二極管V1一般選恢復(fù)時(shí)間短、正向?qū)妷盒〉男ぬ鼗O管，若選擇普通的二極管則會(huì)使DC-DC的效率降低5~10%，本設(shè)計(jì)中選擇IF=1A的1N5817肖特基二極管。

3實(shí)驗(yàn)測試

對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開關(guān)電源芯片為ST的MC34063，輸出電容取標(biāo)準(zhǔn)值220uF，電感取68uH。限流電阻及采樣電阻均選擇1%精度。對(duì)開關(guān)電源輸出端分別測試其空載、輕載(0.1A)、重載(0.5A)時(shí)+5V的輸出情況及C2電容處的振蕩周期，波形圖如圖3、4、5所示。輸出的波動(dòng)由濾波波動(dòng)(紋波)和器件的開關(guān)噪聲兩部分組成，其中開關(guān)噪聲可通過在輸出電容C3兩端并聯(lián)30pF和4.7nF的電容來抑制，在本次測試中由于開關(guān)噪聲對(duì)結(jié)果影響不大，因此未對(duì)輸出端的噪聲進(jìn)行處理。從表1中可知，輸出在三種負(fù)載下能較好的穩(wěn)定在+5V，輸出波動(dòng)隨著負(fù)載的增加而增大，MC34063的工作頻率隨負(fù)載增加而升高，體現(xiàn)出其頻率可變這一優(yōu)勢，三種負(fù)載的輸出波動(dòng)小于5%，能夠滿足開關(guān)電源的工作要求。

表1不同負(fù)載輸出對(duì)比

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明采用過渡過程計(jì)算出的電容電感能夠保證DC-DC輸出精度要求，并且電路運(yùn)行穩(wěn)定，輸出波動(dòng)小，進(jìn)而驗(yàn)證了本參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性及可行性。