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采用MC34063芯片的DC-DC电源变换控制器设计摘要：本文介绍了一种采用MC34063芯片的DC-DC电源变换控制器的电源电路设计。它提供的直流输出不仅与供电电源共地，而且有两组与供电电源隔离。实验室长期试运行表明，各项指标均可满足数字与模拟混合电路对电源的要求，没有跳码现象，检测精度不低于0.1%。关键词：电源电路；DC-DC变换；隔离电源在工业生产过程测控场合，出于安全的考虑，很多安装于现场的测量控制装置或测控网络的底层节点设备都采用低压直流供电。这些装置或设备内部的硬件电路常常是基于微处理器的模拟电路与数字电路的混合硬件电路系统，需要多组直流电源为其数字电路部分与模拟电路部分分别供电。为了取得良好的系统稳定性与测量精度，一般要求数字与模拟电路的供电电源相互隔离或一点连接。使用多路输出电源是解决这一问题的有效途径。早期制作多路输出电源，人们总是把几个不同的DC-DC变换器组装起来，这种方式的电路设计简单，但会加大成本，增加供电系统的体积、重量，并且有难以克服的拍频干扰，在输出电压上出现各种振荡频率之差的纹波电压。因此开关电源的多路输出技术越来越受到人们的关注，因为它只用一个DC-DC变换器，输出电压的纹波具有相同的频率，不会发生拍频干扰。目前多路输出变换器有3种常用的电路形式:独立滤波电感的多绕组DC-DC变换器，耦合电感的多绕组DC-DC变换器，磁放大器二次稳压的多绕组DC-DC变换器。虽然使用多路输出变换器模块比组装几个不同DC-DC变换器电路效率高，成本降低，但是对于小型、小功率、低压控制模块来说还不是最佳选择。本文基于多路输出变换技术，采用MC34063控制芯片，使用少量的外围元件，设计了一种新型、简单、实用的多路输出电路，能为数字电路和模拟电路同时供电，并使两者相互隔离。在笔者所查阅的文献中还没有看见类似的设计方法。MC34063性能简介电路的核心元件是MC34063，它是一种单片双极型线性集成电路，专用于DC-DC直流/直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比可控的振荡器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。使用最少的外接元件能够构成开关式升压变换器、降压变换器和反向器。MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式，内部电路原理框图如图1所示。图1MC34063内部原理框图MC34063电路原理振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平。当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通;反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制通过检测连接在VCC和5脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。带隔离输出的DC-DC变换电路方案电路原理电路原理如图2所示，该电路是在MC34063典型的降压电路上，用开关变压器取代自感线圈实现的。利用开关变压器以获取隔离直流电源的能量供给。开关变压器的副边交变电压经BR1的全波整流，C19、C20的滤波，L2、L3的高频遏制及U7、U8线性稳压器的稳压，便可获取稳定的直流输出。在确定的硬件系统中，用于向数字系统供电的VCC电源负荷是稳定的，通过开关变压器的交变方波的占空比也是稳定的，因此，根据+5V、-5V的负荷情况，恰当的选择开关变压器的铁芯、骨架参数及原、副边匝数，便可获得与供电电源、数字电路电源VCC隔离的+5V、-5V直流输出。图2带隔离输出的DC-DC变换电路原理图电路参数及实验数据开关变压器参数铁芯形式:EI22B，磁导率:2000H/m，骨架参数:EI22210P，原边线圈匝数:60匝，副边线圈匝数:40匝。电源拉偏实验参数在规定范围内改变输入电压，用万用表测输出端电压，数据如表1。负荷调整实验参数对3组直流电源分别接入不同负载，用万用表测取输出电压，数据如表2。纹波系数在一定负荷下用示波器观察输出电压，测取纹波电压(峰2峰值)5mV，纹波系数=5/5000×100%=0.1%。满足一般硬件电路对电源的要求。结论该电路使用元件少，结构简单，可靠实用。在数据采集器的14位A/D转换器中，采用上述电源，实验室长期试运行表明:供电稳定，无跳码，检测精度不低于0.1%。该电路适用于微处理器的模拟电路与数字电路的混合硬件系统中，需要低压、小功率、供电场合，如温度巡检仪、数据采集器等装置。斩波型开关电源斩波型开关电源按其拓扑结构通常可以分为3种：降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-boost)。降压型开关电源电路通常如图1所示。图1中，T为开关管，L1为储能电感，C1为滤波电容，D1为续流二极管。当开关管导通时，电感被充磁，电感中的电流线性增加，电能转换为磁能存储在电感中。设电感的初始电流为iL0，则流过电感的电流与时间t的关系为：iLt=iL1+(Vi-Vo-Vs)t/L，Vs为T的导通电压。当T关断时，L1通过D1续流，从而电感的电流线性减小，设电感的初始电流为iL1，则则流过电感的电流与时间t的关系：iLt=iL1-(Vo+Vf)t/L，Vf为D1的正向饱和电压。图1降压型开关电源基本电路34063的特殊应用●扩展输出电流的应用DC/DC转换器34063开关管允许的峰值电流为1.5A，超过这个值可能会造成34063永久损坏。由于通过开关管的电流为梯形波，所以输出的平均电流和峰值电流间存在一个差值。如果使用较大的电感，这个差值就会比较小，这样输出的平均电流就可以做得比较大。例如，输入电压为9V，输出电压为3.3V，采用220μH的电感，输出平均电流达到900mA，峰值电流为1200mA。单纯依赖34063内部的开关管实现比900mA更高的输出电流不是不可以做到，但可靠性会受影响。要想达到更大的输出电流，必须借助外加开关管。图2和图3是外接开关管降压电路和升压电路。图2升压型达林顿及非达林顿接法图3降压型达林顿及非达林顿接法采用非达林顿接法，外接三极管可以达到饱和，当达到深度饱和时，由于基区存储了相当的电荷，所以三极管关断的延时就比较长，这就延长了开关导通时间，影响开关频率。达林顿接法虽然不会饱和，但开关导通时压降较大，所以效率也会降低。可以采用抗饱和驱动技术，图4所示，此驱动电路可以将Q1的Vce保持在0.7V以上，使其导通在弱饱和状态。图4抗饱和驱动电路利用一片34063就可以产生三路电压输出，如图5所示。图5输出3路电压的34063电路+VO的输出电压峰值可达2倍V_IN，-VO的输出电压可达-V_IN。需要注意的是，3路的峰值电路不能超过1.5A，同时两路附加电源的输出功率和必须小于V_IN·I·(1-D)，其中I为主输出的电流，D为占空比。在此两路输出电流不大的情况下，此电路可以很好地降低实现升压和负压电源的成本。●具有关断功能的34063电路34063本身不具有关断功能，但可以利用它的过流饱和功能，增加几个器件就可以实现关断功能，同时还可以实现延时启动。图6是具有关断功能的34063电路，R4取510Ω，R6取3.9kΩ。当控制端加一个高电平，则34063的输出就变成0V，同时不影响它的过流保护功能的正常工作。将此电路稍加改动，就可以得到具有延时启动功能的34063电路，如图7所示。取C11为1μF，R10为510Ω，就可以达到200～500ms的启动延时(延时时间和输入电压有关)。这个电路的缺点就是当峰值电流过流时无法起到保护作用，只能对平均电流过流起保护作用。●恒流恒压充电电路恒压恒流充电电路如图8所示，可用于给蓄电池进行充电，先以500mA电流恒流充电，充到13.8V后变为恒压充电，充电电流逐渐减小。34063的局限性由34063构成的开关电源虽然价格便宜、应用广泛，但它的局限性也是显而易见的。主要有以下几点：(1)效率偏低。对于降压应用，效率一般只有70%左右，输出电压低时效率更低。这就使它不能用在某些对功耗要求严格的场合，比如USB提供电源的应用。(2)占空比范围偏小，约在15%～80%，这就限制了它的动态范围，某些输入电压变化较大的应用场合则不适用。(3)由于采用开环误差放大，所以占空比不能锁定，这给电路参数的选择带来麻烦，电感量和电容量不得不数倍于理论计算值，才能达到预期的效果。虽然34063有许多缺点，但对产品利润空间十分有限的制造商来说，它还是设计开关电源的很好选择。图6具有关断功能的34063电路图7具有延时启动功能的34063电路图8恒压恒流充电电路开关电源的频率和ADSL性能对于ADSL来说，上行信道分布在30～100kHz之间，下行信道分布在100kHz～1.1MHz之间。长线连接速率常常是衡量ADSL性能的一个重要指标，但在线路很长的时候，下行信道中高频信道衰减得很厉害，所以此时下行低频段的信噪比对长线连接速率就起着至关重要的作用。开关电源的输出含有开关频率基频及其谐波的纹波成分，一般从基波到10次谐波的能量都比较大。如果开关频率为20kHz，它的谐波为40kHz、60kHz、80kHz…。这样，从100～300kHz的下行信道中就会有10个干扰的频率点。而如果开关频率为100kHz，则干扰点就下降为2个，如果开关频率为1MHz，则下行信道就不会受到干扰，这样就能极大提高下行信道的性能。器件选择要点(1)只如果外接开关管，最好选择开关三极管或功率MOS管，注意耐压和功耗。(2)如果开关频率很高，电感可选用多线并绕的，以降低趋肤效应的影响。(3)续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏)，就必须使用MOS管续流。输出滤波电容一般使用高频电容，可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.1～1μf电容，可以改善瞬态响应。PCB布局和布线的要点开关导通和关断都存在一个电流环路，这两个环路都是高频、大电流的环路，所以在布局和布线时都要将此二环路面积设计得最小。用于反馈的取样电压要从输出电容上引出，并注意芯片或开关管的散热。MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式，内部电路原理框图如图一所示。MC34063具有以下特点：1、能在3.040V的输入电压下工作。2、带有短路电流限制功能。3、低静态工作电流。4、输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)。5、输出电压可调。6、工作振荡频率从100HZ至100KHZ。7、可构成升压降压或反向电源变换器由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A，内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。电路原理图一内部框图中所表示的电路解释如下：振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平，当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制SI检测端(5脚)通过检测连接在V+和5脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。典型应用：图二是