畢業(yè)論文(DC-DC變換器)

1、河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計/論文緒論一. 開關電源概述開關電源（Switch Mode Paver Supply,即SMPS） 被譽為高效節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的主流產品。半個世紀以來，開關電源大致經歷了四個階段。早期的開關電源全部有分立元件構成，不僅開關頻率低，效率高，而且電路復雜，不宜調試。在20世紀70年代研制出的脈寬調制器集成電路，僅對開關電源中的控制電路實現(xiàn)了集成化；80年代問世的單片開關穩(wěn)壓器，從本質上講仍DC/DC電源變換器。隨著各種類型單片開關電源集成電路的問世，AC/DC電源變換器的集成化才變?yōu)楝F(xiàn)實。穩(wěn)壓電源是各種電子的動力源，被人稱為電路的心臟，所有用電設備，包括電

2、子儀器儀表，家用電器。等對供電電壓都有一定的要求。至于精密的電子儀器，對供電電壓的要求更為嚴格。所謂的DCDC直流穩(wěn)壓是指電壓或電流的變化小到可允許的程度，并不是絕對的不變。目前，隨著單片開關電源集成電源的應用，開關電源正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。單片開關電源自20世紀90年代中期問世以來便顯示出來強大的生命力，它作為一項頗具發(fā)展和影響力的新產品，引起了國內外電源界的普遍重視。尤其是最近兩年來，國外一些著名的芯片廠家又競相推出了一大批單片開關電源集成電路，更為新型開關電源的推廣及奠定了良好的基礎。單片開關電源具有集成度高、高性價化、最簡外圍電路，最佳性能等指標，現(xiàn)已成為開發(fā)中小功率開關電源

3、、精密開關電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。二. 開關電源的技術追求1.小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關電源的小型化實質上就是盡可能減小儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感和變壓器的尺寸，而且還能抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此高頻化是開關電源的主要發(fā)展方向。2.高可能性開關電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光電偶合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以要從設計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復雜、可靠性差的

4、問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。1.低噪聲開關電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會增大。采用部分諧振轉換技術，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關電源的有一發(fā)展方向。2. 采用計算機輔助設計與控制采用CAA和CDD技術設計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，使開關電源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引人微機檢測和控制，可構成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實施檢測、記錄并自動報警等。三.DC/DC變換器的應用范圍及發(fā)展趨勢（1） DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變

5、速和控制，同時使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約2030的電能。直流斬波器不僅能起到調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。（2） DC/DC變換器是一種能高效地實現(xiàn)直流到直流功率變換的混合集成功率器件，主要采用了高頻功率變換技術，即將直流電壓通過功率開關器件變換成高頻開關電壓，且輸入與輸出之間完全隔離。該產品主要應用于航空、航天、通信、雷達、以及其他所有采用分布式供電體系的領域。其主要發(fā)展方向是：采用多芯片組件技術和新型高導熱基板（如AIN金剛石和金屬等），進一步提高功率密度（3W/cm3以上）和輸出功

6、率（達200W以上），工作頻率達1MHZ，效率為90%以上，實現(xiàn)多路智能化混合集成DC/DC變換器組件。（3） 直流-直流變換器（DC/DC）變換器廣泛應用于遠程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公自動化設備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領域，涉及到國民經濟的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W1W和1W以下3大類。進入20世紀90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內的增長率大幅度提高，其中6W25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因為它們大量用于直流測量和測試設備、計算機顯示系統(tǒng)、計算機和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必

7、然的趨勢，所以251W750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務性的醫(yī)療和實驗設備、工業(yè)控制設備、遠程通訊設備、多路通信及發(fā)送設備，DC/DC變換器在遠程和數(shù)字通訊領域有著廣闊的應用前景。四.本設計要解決的主要問題、采用的手段和方法（1）本設計要解決的主要問題是加入輸入電壓為3V的電源電壓，使用 DC/DC變換器實現(xiàn)輸出為±12V和3.6V的電壓。（2）本設計采用的手段和方法是采用核心集成電路MC34063作為控制部分，外圍加少量元器件組成DC/DC升壓、反轉電路。五.本設計課題的意義、目的以及應達到的要求（1）本設計課題的意義：使我們了解了DC/DC變換的發(fā)展

8、趨勢和用途，并掌握了如何利用集成器件實現(xiàn)高效率、小型化、薄型化、輕量化、高頻化的開關穩(wěn)壓電源。（2） 本設計的目的：最直接目的是實現(xiàn)直流到直流的開關穩(wěn)壓變換，設計一個簡單而又低成本的電源；另外，在于幫助讀者了解MC34063新型集成器件，增加電子技術知識，鍛煉動手能力，培養(yǎng)和提高創(chuàng)新能力；為電子愛好者增添一技之長提供技術資料；使有一定電子理論基礎知識的讀者閱讀本設計后，理論水平有進一步的提高，激發(fā)動手制作的欲望，實現(xiàn)理論與實踐的結合。（3） 本設計的應達到的要求：輸入加3V直流電壓實現(xiàn)輸出為±12V、（電流是100mA）和3.6V(電流是500mA)的電壓。第一章 DC/DC變換器的

9、基礎知識1.1 DC/DC變換器的含義、分類、應用范圍及優(yōu)點1.1.1 DC/DC變換的含義DC/DC變換即直流斬波，就是將直流電壓變換成固定的或可調的直流電壓。1.1.2 DC/DC變換器的分類變換器有兩種類型：線性變換器開關變換器。開關變換器有三種拓撲結構：降壓變換器（開關穩(wěn)壓器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定的輸出電壓）；升壓 變換器（開關穩(wěn)壓器將一輸入電壓變換成一較高的穩(wěn)定的輸出電壓）；反激變換器（開關穩(wěn)壓器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定反相輸出電壓）。1.1.3 DC/DC變換技術的應用范圍主要應用于已具有直流電源需要調節(jié)直流電壓的場合，廣泛應用于無軌電車、有軌電車、地鐵列車、蓄電池供

10、電的機車車輛的無級變速以及20世紀 80年代興起的電動汽車的調速及控制等。1.1.4 DC變換技術的優(yōu)點此技術不僅可以實現(xiàn)調壓的功能，而且還可以達到改善網(wǎng)側諧和提高功率因數(shù)的目的。1.2 DC/DC變換器的基本工作原理及控制方式1.2.1 DC/DC變換器的工作原理如圖是最基本的直流斬波電路，負載為純電阻R。當開關S閉合時，負載電壓U。=Ud，并持續(xù)時間ton;這T=ton+toff為斬波電路的工作周期，斬波器的輸出電壓波形如圖（b）設斬波其的占空比K=ton/T，則由波形圖上可得輸出電壓的平均值為U。=ton/T*Ud=Kud，只要調節(jié)K，即可調節(jié)負載的平價電壓。1.2.2 DC/DC變換器

11、的控制方式其控制方式為PWM、 PFM控制和調頻調寬混合控制。PWM控制即定頻調寬控制，這種控制方法是保持斬波周期T不變，只改變斬波器的導通時間ton。其特點為：斬波器的基本頻率固定，所以濾除高次諧波的濾波器設計比較容易。PFM控制即定寬調頻控制，這種控制方式是保持導通時間ton不變，而改變斬波周期T。其特點為：斬波回路和控制電路變得簡單，只有頻率是變化的。1.2.3 PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式比較這三種控制方式各有各的優(yōu)點與缺點：DC/DC變換器是通過與內部頻率同步開關進行升壓或降壓，通過變化開關次數(shù)進行控制，從而得到對于設定電壓相同的輸出電壓。PFM控制時，當輸出電

12、壓下降達到在設定電壓以上時即停止開關，在下降到設定電壓前，DC/DC變換器不會進行任何操作。但如果輸出電壓下降到設定電壓以下，DC/DC變換器會再次開始開關，使輸出電壓達到設定電壓，PWM控制也是與頻率同步進行開關，但它會在達到設定值時，盡量減少流人線圈的電流，調整升壓使其與設定電壓保持一致。與PWM相比，PFM的輸出電流小，但因PFM控制的DC/DC變換器在達到設定電壓以上時就會停止動作，所以消耗上午電流就會變得很小。因此消耗電流的減少可改進低負荷時的效率。PWM在低負荷時雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關頻率固定，所以噪聲濾波器設計比較容易，消除噪聲也較簡單。第二章 DC/DC變換

13、器主回路使用的元件選擇及其特性與質量指標的含義2.1 三種元件2.1.1開關無論哪一種DC/DC變換器主回路使用的元件只是電子開關、電感、電容。電子開關只有快速地開通、快速地關斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉換引起的損耗才小，目前使用的電子開關多是雙極型晶體管、功率場效應管，逐步普及的有IGBT管，還有各種特性較好的新式的大功率開關元件。2.1.2 電感電感是開關電源中常用的元件，由于它的電流，電壓相位不同，因此理論損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容公用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流，也稱它為扼流圈。其特點是流過它上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于“磁通連續(xù)性”，電感上的電流必

14、須是連續(xù)的，否則將會產生很大的電壓尖峰波。電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題，多數(shù)情況下，電感工作在線性區(qū)，此時電感值為一常數(shù)，不隨端電壓與流過的電流而變化。但是，在開關電源中有一個不可忽視的問題，就是電感的繞線所引起的兩個分布參數(shù)（或稱寄生參數(shù)）的現(xiàn)象。其一是繞線電阻，這是不可避免的；其二是分布式雜散電容，隨繞線工藝、材料而定。雜散電容在低頻時影響不大，隨頻率提高而漸顯出來，到一頻率以上時，電感也許變成電容的特性了。如果將雜散電容集成為一個，則從電感的等效電路可看出在一角頻率后的電容性。2.1.3 電容電容是開關電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲存電能和傳遞電能的元件。但對頻率的特性卻剛好

15、相反。應用上，主要是“吸收”紋波，具平滑電壓波形的作用。實際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質、接點與引線，形成一個等效串聯(lián)內電阻ESR。這種等效串聯(lián)內電阻在開關電源中小信號控制上，以及輸出紋波抑制的設計上，起著不可忽視的作用。另外電容等效電路上有一個串聯(lián)的電感，它在分析電路器濾波效果時非常重要。有時加大電容值并不能使電壓波形平直，就是因為這個串聯(lián)寄生電感起著副作用。電容的串聯(lián)電阻與接點和引出線有關，也與電解液有關。常見鋁電解電容的成分為AL2O3，導電率比空氣的大七倍，為了能提高電容量，把鋁箔表面做成有規(guī)律的凸凹不平狀，使氧化膜表面積加大，加入的電解液可在凸凹面上流動。普通的鋁電解電

16、容在高頻脈動電流大幅度增加下，高頻阻抗溫度上升較大，成了開關電源長壽命的瓶頸。所謂好電容耐反波電流，耐溫升，ESR值小。電容電解液受溫度影響，溫度升高，電阻減小，即電容串聯(lián)電阻減小，則是理想的。溫度升高，等效串聯(lián)電阻加大，導致電容壽命減短，這是普通鋁電解電容的缺點。為改善這一缺點，將電解液覆蓋在氧化膜表面后將 其干燥形成固體式電解質電容，即“鉭電容”。2.1.4器件選擇要點只如果外接開關管，最好選擇開關三極管或功率MOS 管，注意耐壓和功耗。如果開關頻率很高，電感可選用多線并繞的，以降低趨膚效應的影響。續(xù)流二極管一般選恢復時間短、正向導通電壓小的肖特基二極管，但要注意耐壓。如果輸出電壓很小(零

17、點幾伏)，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。2.1.5 電源設計的器件選擇需要注意以下幾點： 1）選擇設計靈活性較大的DC/DC變換器，擴大電路設計的范圍。 2） 低消耗電流、高效率可延長電池的使用壽命。 3） 可使用小型的外接元器件，實現(xiàn)產品小型化。 4）有力的技術支持工具。2.1.6 元器件的選用因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器失效主要集中在以下四個方面。質量問題造成的失效與工作應力無關。質量不符合的可以通過嚴格的檢查加以剔除，在工程應用時應選用

18、定點生產廠家的成熟產品。(1)元器件可靠問題元器件可靠性問題，即基本失效率的問題，這是一種隨機性質的失效，與質量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應力水平。在一定的應力水平下，元器件的失效率會大大下降。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：a.電阻在濕溫下按技術條件進行100%的測試，剔除不合格品。b.普通電容器. 按技術條件進行100%的測試，剔除不合格品。c.接插件按技術條件抽樣檢測各種參數(shù)。d.半導體器件按以下程序進行篩選：目檢、初測、高溫儲存、高低溫沖擊、電功率老化、高溫測試、低溫測試、常溫測試。篩選結束后應計算剔除率：=n/N*100%式中：N受試樣品總數(shù)； n被剔除的樣品數(shù)。如果

19、超過標準規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按規(guī)定處理。(2) 設計問題 首先是恰當?shù)剡x用合適的元器件：a.盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。a. 多采用集成電路，減少分離器件的數(shù)目。b. 開關管選用MOSFET能簡化驅動電路，減少損耗。c. 輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。d. 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器 件e. 集成電路必須是一類品或符合MIL-M-38510、MIL-S-19500標準封裝B-1 以上質量等級的軍品。f. 設計時盡量少用繼電器，確有必要時選用接觸良好的密封繼電器。g. 原則上不選用繼電器，必須保留的應進行固封

20、處理。h. 吸收電容器與開關整流管的距離應當接近，因流過高頻電流，鼓易升溫， 所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。2.2 技術指標含義2.2.1 含義1）穩(wěn)壓系數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù)有絕對系數(shù)和相對系數(shù)兩種。絕對系數(shù)表示 負載不變是，穩(wěn)壓電源輸出直流變化量Uo與輸出電壓變換量Ui 引起多大的輸 出電壓的變換，所以絕對穩(wěn)壓系數(shù)K值越小越好，K小時說明同一UI引起的U0越小，也就輸出的電壓越穩(wěn)定，這種表示方法在工程設計中常用到，但是穩(wěn)定電壓中更重視相對穩(wěn)壓系數(shù)。相對穩(wěn)壓系數(shù)S表示在負載不變時，穩(wěn)壓器輸出直流電壓Uo的相對變化量Uo與輸入電網(wǎng)電壓Ui的相對變化倆量Ui之比即S=Uo/Uo/Ui/U

21、i，一般不特別說明，穩(wěn)壓系數(shù)通常是指相對穩(wěn)壓系數(shù)S，而不是絕對穩(wěn)壓系數(shù)K。2）輸入電壓調整率輸入電壓調整率用于衡量當負載和環(huán)境不變時，因輸入電壓的變化而引起的輸出電壓的改變。它是一個直流參說，不包括輸入電壓紋波或瞬間變化電壓產生的影響，通過在輸入端串聯(lián)一個預置穩(wěn)壓器或一個低成本的RC濾波器，既可有效的改善總體的輸入電壓調整率。3）導通建立時間導通建立時間是指系統(tǒng)加電后基準輸出電壓達到穩(wěn)定的時間。該參數(shù)對于采用電池供電的便攜式系統(tǒng)來說是重要的，因為這類系統(tǒng)為節(jié)省電能，長時間或間隙方式供電。2.2.2負載對輸入電壓影響的幾種指標形式1）負載調整（也稱電流調整率） 在額定電壓下，負載電流從0便到最大

22、時，輸入電壓的最大相對變化量，常用百分說表示，又是也用絕對變化兩表示。2）輸出電阻（也稱等效電阻） 在額定電網(wǎng)電壓下，由于負載電流變化Il引起輸出電壓變化Uo，則輸出電阻為Ro=|Uo/Il|3）最大波紋電壓在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的波紋（包括噪聲）的絕對值大小，通常一峰峰值或有效值表示。4）紋波系數(shù)R(%) 在 額定負載電流下，輸出波紋電壓的有效值Ums與輸出直流電壓之比 5) 波紋電壓抑制比 波紋電壓抑制比是指在規(guī)定的紋波頻率（例如50HZ）下輸入電壓重的紋波電壓Ui與輸出電壓中的紋波電壓Uo之比，即紋波電壓抑制比Ui/Uo6)溫度漂移合溫度系數(shù) 環(huán)境的溫度變化影響元器件的參說

23、得變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出的電壓變化，稱為溫度漂移。常用溫度系數(shù)表示溫度飄逸的大小，溫度每變化一度引起輸出電壓只得變化Uo稱為絕對溫度系數(shù)，單位是V/或mv/溫度每變化一度引起的輸出電壓相對變化U/Uo稱為溫度相對系數(shù)，單位7)漂移 穩(wěn)壓器在輸入電壓負載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元器件參說得不穩(wěn)定也會造成輸出電壓得變化。慢變化叫做漂移，快變化叫做噪聲，介于而這之間叫做起伏，在一般使用中只考慮飄逸就可以了。 表示漂移的方法有兩種。一種是在指定時間內輸出電壓之的變化U；另一種是用在指定時間那輸出電壓的相對變化Uo/Uo,考慮漂移的時間可以定為、1min,10min,8h或更長。只有在精度較高

24、的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂系數(shù)兩項指標。2.2.3 三個重要質量指標（1）電壓調整率S 電壓調整率又稱之為穩(wěn)壓系數(shù)，用S表示。若由于輸入電壓Vs的相對變化而引起的輸出電壓的相對變化，則定義為在負載電流和環(huán)境溫度不變的情況下，輸出相對變化與輸入相對變化的比值。S的大小反映了一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化影響的能力。顯然S的越小，即在同樣的輸入電壓條件下，輸出電壓變化越小，即電源穩(wěn)定性越好。通常S的值在1%0.01%范圍內。（2）負載調整率（輸出內阻R0）負載調整率又稱電流調整率，它是在規(guī)定輸入電壓下，用負載電流從零（空載）到最大值（滿載）時，輸出電壓的相對變化率來表示的。負載調整率也可用動態(tài)輸

25、出內阻R0來表示。若負載電流的變化引起輸出電壓的變化，則R0定義為在輸入電壓及環(huán)境溫度不變的條件下，V0與I0的比值。R0反映了負載變動時，輸出電壓V0維持穩(wěn)定的能力。顯然，R0越小，則當I0變化時，輸出電壓變化越小，即越穩(wěn)定。（3） 輸出紋波電壓V01 整流輸出的紋波電壓Vs1，經過穩(wěn)定電壓的穩(wěn)壓作用，使穩(wěn)壓電源的穩(wěn)波輸出電壓V0大大地降低。而穩(wěn)波輸出降低的程度與穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定系數(shù)S有關，其關系式V01=S*V0*Vs1/Vs.2.2.4 PCB布局和布線的要點（1）開關導通和關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)路面積設計得最小。用于反饋的

26、取樣電壓要輸出電容上引出，并注意芯片或開關管的散熱。（2）電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。（3）DC/DC變換器、開關元件和整流器應盡可能靠近變壓器放置，以使其導線長度最小。第三章 芯片 MC34063的簡介3.1 MC34063集成電路簡介 3.1.1 集成電路MC34063概述 MC34063是有UA78S40進一步簡化的來的，由于 UA78S40內部設置了與主穩(wěn)壓系統(tǒng)無關的運算放大器，及開關性能，正相壓降都不如意的續(xù)流二極管，使其引出腳增多，加上一些不必要的引出端，比如基準電壓的輸出端等，不得已采用16腳封裝，其后，美國摩托羅拉公司對UA78S40加以簡化，取出了內部運算

27、放大器和續(xù)流二極管，改為雙列8腳PIC和SMD兩種封裝形式，型號為MC34063，其技術參數(shù)基本與UA78S40相同。MC34063和UA78S40除作降壓開關電源外，兩者可作升壓極性反轉和多組輸出的電壓開關電源。由于MC34063體積小，且又SMD封裝形式，故應用較廣。34063一種用于DCDC電源變換的集成電路，應用比較廣泛，通用廉價易購?？捎糜陔妷旱纳龎?，降壓以及極性的反轉。極性反轉效率最高，升壓效率最高，降壓效率最高，變換效率和工作頻率濾波電容等成正比。另外，輸出功率達不到要求的時候，比如250300MA時，可以通過外接擴功率管的方法擴大電流，雙極型或MOS型擴流管均可。外圍元件標稱含

28、義和它們取值的計算公式：Vout(輸出電壓)1.25V（R1R2）Ct(定時電容)：決定內部工作頻率。Ct=0.000 004*Ton(工作頻率)Ipk=2*Iomax*T/toffRsc(限流電阻)：決定輸出電流。Rsc0.33IpkLmin(電感)：Lmin(ViminVces)*Ton/ IpkCo(濾波電容)：決定輸出電壓波紋系數(shù)，CoIo*ton/Vp-p(波紋系數(shù))固定值參數(shù)：Vces=1.0Vton/toff=(Vo+VfVimin)/(ViminVces)Vimin:輸入電壓不穩(wěn)定時的最小值Vf=1.2V 快速開關二極管正向壓降其他手冊參數(shù)：參數(shù)名稱  符號 

29、; 單位   MC34063     34063    IRM03A輸入電壓      Vin      V     2.540V     2.540V         2.540V 輸出電壓      Vout     V    1.25

30、40V  1.2540V          1.2540V 最高頻率  f  kHz  0.1100KHZ   0.1100KHZ       0.1100KHZ 功 率        P         W      1.25W    

31、  1.25W              0.9W 工作溫度     Ta        度     070度     070 070度 在實際應用中的注意：· 快速開關二極管可以選用IN4148，在要求高效率的場合必須使用IN5819！· 34063能承受的電壓，即輸入輸出電壓絕對值之和不能超過40V，否則 不能安全

32、穩(wěn)定的工作3.1.2 內部結構及管腳概述核心元件MC34063是一種微功耗的集成穩(wěn)壓器，不僅效率高，而且能方便地實現(xiàn)降壓、升壓、反轉等多種功能。內部結構：它是一種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,片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器驅動器和大電流輸出開關，能輸出1.5A的開關電流。 管腳引線與外形封裝：a.管腳引腳功能 管腳符號功能簡介1SWC功率開關的集電極2SWE功率開關的發(fā)射極3Ct定時電容4GND公共地5CII比較器反向輸入端6Vin電源電壓輸入端7Ipk電流取樣反饋輸入端8Drc內部電路驅動器的集電極外接定時電容Ct用于振蕩器的定時，調節(jié)Ct可

33、使振蕩頻率在100HZ100KHZ范圍內變化；Ipk電流取樣其作用是保證片內開關功率管的電流不超過其最大允許電流。參考電壓源是溫度補償?shù)膸痘鶞试?，振蕩器的振蕩頻率由腳的外接定時電容決定，開關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。  b.外形封裝MC34063的管腳引線和外形封裝如下圖. 對于不同形狀的外形封裝,其熱敏特性、產品標記、工作溫度范圍等見下表型號DIP-8SO-8SO-8(筒狀或盤狀)工作溫度MC34063ABMC34063ABNMC34063ABDMC34063ABD-TR-4070MC34063AC

34、MC34063ACNMC34063ACDMC34063ACD-TR070結點熱阻100C/W160C/W3.1.3 主要性能: a.具有精度高并且?guī)囟妊a償?shù)?.25V基準電壓源.b.內部基準電壓源的精度可達2%. c.可以構成輸出電壓可調的DC/DC變換器.d.可以構成升壓式、降壓式和極性反相式DC/DC變換器.e.內部的輸出級含有一個中功率的開關管,不需外加功率管就直接構成中功率的DC/DC變換器.f.具有雙列直插式和表面封裝形式.3.1.4 技術指標:A. 輸入電源電壓MC34063的輸入電源電壓范圍為340V.B. 輸入開關電流MC34063的輸入開關電流1.5A.C. 振蕩頻率MC3

35、4063的振蕩頻率為100KHZ.D. 基準電壓源的精度MC34063的基準電壓源的精度為2%.E. 靜態(tài)工作電流MC34063的靜態(tài)工作電流為2.5mA.F. 主要電參數(shù)的極限值1.輸入電源電壓的極限值:50V2.內部比較器輸入電壓范圍的極限值:-0.340V.3.振蕩器電源電壓的極限值:40V.4.輸出功率開關發(fā)射極電源電壓的極限值:40V.5.輸出功率開關發(fā)射極與集電極電壓的極限值:40V.6.驅動級集電極電壓的極限值:40V.7.驅動級集電極電流的極限值:100mA.8.功率開關的輸出電流極限值:1.5A.9.具有DIP-8和SO-8兩種外形封裝,可工使用者靈活選用.10.耗散功率的極

36、限值(25的環(huán)境溫度):DIP-8型封裝為1.25W,SO-8型封裝為0.625W.11.工作溫度范圍極限值:AC級的為070,AB級的為-4085.12.儲存溫度范圍的極限值:-4085.G. 1. 振蕩器的技術參數(shù)符號名稱測試條件最小值典型值最大值單位Fosc振蕩頻率第5端電壓=0V,C=1nF,Ta=25243342KHZIchg充電電流Vin=540V,Ta=25243342uAIdischg放電電流Vin=540V,Ta=25140200260uAIchg充電與放電電流之比第7端電壓=0VCt=1F, Ta=255.26.27.5Vipk限流采樣電壓值Ichg=Idischg,Ta=

37、25 250 300 350 mA2.輸出開關的技術參數(shù)符號名稱測試條件最小值典型值最大值單位Vce(sat)達林頓連接的飽和電壓Isw=1A,第1、8端短路1.01.3VVce(sat)飽和電壓Isw=1A,8端與Vin端接82的電阻0.450.70VHfe直流電流增益Isw=1A,Vce=5v,Ta=2550 120Ic(off)集電極開路電流Vce=40v0.01100.00uA2 比較器的技術參數(shù)符號名稱測試條件最小值典型值最大值單位Vth門限電壓Ta=25C1.2251.2501.275VTa=070C1.2101.290VReg門電壓線性調整率Vin=340V15%lib輸入偏值電

38、流輸入電 壓=0V-5-400nAH. 輸入電源電流 當輸入電源電壓為540V，Ct=1Nf，第7端與Vin端短路，第5端電壓大于比較器的門限電壓，第2端接地，其余的管腳懸空時，輸入電源電流為2.5mA。3.2 電路原理解釋、功能、應用、及計算3.2.1 內部原理框圖：3.2.2 內部電路工作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生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的，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，輸出開關管導

39、通，反之當振蕩器在放電期間，C輸入端為低電平，觸發(fā)器被復位，使得輸出開關管處于關閉狀態(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)對定時電容進行快速充電以減少充電時間和輸出開關管的導通時間，結果是使得輸出開關管的關閉時間延長。3.2.3 功能不僅可以構成具有各種輸出形式的DC/DC電壓變換器，它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和反向器。 還有就是在開關穩(wěn)壓電源電路中承擔PWM控制器。3.2.4 典型應用 圖二是進行降壓式的D

40、C-DC轉換應用。其輸出電壓值可通過改變R4、R5電阻值來進行調整，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,因此輸入電流被限流在0.3V/0.15=2A。改變限流電阻即可改變限流值。（注：下同） 圖三是進行升壓式的DC-DC轉換應用。其輸出電壓值也是通過改變R4、R5電阻值來進行調整，其輸出電壓符合以下公式：Vout=(1+R4/R5)*1.25V 。 圖四是反轉式的DC-DC轉換應用。其輸出電壓值也是通過改變R2、R3電阻來進行調整，其輸出電壓符合以下公式：Vout=(1+R3/R2)*1.25V 

41、; 電路中限流電阻取值為0.3,因此輸入電流被限流在0.3V/0.3=1A。  電路中限流電阻取值為0.3,因此輸入電流被限流在0.3V/0.3=1A。 3.2.5 MC34063的特殊應用 擴展輸出電流的應用DC/DC轉換器34063開關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，輸出平均電流達到900mA，峰值電流為1200mA。單純依賴34063

42、內部的開關管實現(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。要想達到更大的輸出電流，必須借助外加開關管。圖2和圖3是外接開關管降壓電路和升壓電路。圖2 升壓型達林頓及非達林頓接法圖3 降壓型達林頓及非達林頓接法采用非達林頓接法，外接三極管可以達到飽和，當達到深度飽和時，由于基區(qū)存儲了相當?shù)碾姾?，所以三極管關斷的延時就比較長，這就延長了開關導通時間，影響開關頻率。達林頓接法雖然不會飽和，但開關導通時壓降較大，所以效率也會降低?？梢圆捎每癸柡万寗蛹夹g，圖4所示，此驅動電路可以將Q1的Vce保持在 0.7V以上，使其導通在弱飽和狀態(tài)。圖4 抗飽和驅動電路利用一片34063就可以產生三

43、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2倍V_IN，-VO的輸出電壓可達-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·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現(xiàn)升壓和負壓電源的成本。 具有關斷功能的34063電路34063本身不具有關斷功能，但可以利用它的過流飽和功能，增加幾個器件就可以實現(xiàn)關斷功能，同時還可以實現(xiàn)延時啟動。圖6是具有關斷功能的34063電路，R4取510，R6取3.9k。當控制端加一個高電平，則3

44、4063的輸出就變成0V，同時不影響它的過流保護功能的正常工作。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，就可以達到200500ms的啟動延時(延時時間和輸入電壓有關)。這個電路的缺點就是當峰值電流過流時無法起到保護作用，只能對平均電流過流起保護作用。 恒流恒壓充電電路恒壓恒流充電電路如圖8所示，可用于給蓄電池進行充電，先以500mA電流恒流充電，充到13.8V后變?yōu)楹銐撼潆?，充電電流逐漸減小。圖6 具有關斷功能的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電源的頻率和ADSL性能3.2.6 主要

45、參數(shù)的計算方法主要參數(shù)升壓式DC/DC變換器降壓式DC/DC變換器極性反轉式DC/DC變換器L（電感）170uH220uH90uHTon/ToffVout+Vf-Vin(min)/Vin(min)-VsatVout+Vf/Vin(min)-Vsat-VoutVout+Vf/Vin-Vsat（Ton+Toff）max1/Fmin1/Fmin1/FminCt(定時電容)4.5*105Ton4.5*105Ton4.5*105TonC0（輸出電容）Iout*Ton/ VrippleIpk*(Ton+Toff)/ 8VrippleIout*Ton/ VrippleIpk2Iout(max)*(Ton+T

46、off)2Iout(max)2Iout(max)*(Ton/Toff+1)Rsc0.3Ipk（峰值電流）0.3Ipk（峰值電流）0.3Ipk（峰值電流）L(min)(Vin-Vsat)*Ton(max)/Ipk(Vin-Vsat-Vout)*Ton(max)/Ipk(Vin-Vsat)*Ton(max)/IpkØ Vsat為輸出功率開關的飽和壓降。Ø Vf為輸出整流器的導通壓降Ø Vin為輸入電源電壓Ø Vout為輸出電壓，其計算公式為Vout=1.25（1+R2/R1）Ø Iout為輸出電流Ø Fmin為在固定的輸入電源電壓和輸出電

47、流的條件下，芯片內部振 蕩器的工作頻率。Ø Vripple為輸出紋波電壓的峰峰值。功能：不僅可以構成具有各種輸出形式的DC/DC電壓變換器，它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和反向器。 還有就是在開關穩(wěn)壓電源電路中承擔PWM控制器。3.2.7 MC34063的局限性1)效率偏低。對于降壓應用，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格的場合，比如USB提供電源的應用。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用場合則不適用。3)由于采用開環(huán)誤差放大，所以占空比不能鎖定，這給電路參數(shù)

48、的選擇帶來麻煩，電感量和電容量不得不數(shù)倍于理論計算值，才能達到預期的效果。雖然34063有許多缺點，但對產品利潤空間十分有限的制造商來說，它還是設計開關電源的很好選擇。第四章 電路設計4.1 設計要求4.1.1 設計技術指標要求在輸入電壓為340V的條件下本設計輸入電壓選擇3V。a.輸出電壓為±12V時，輸出電流為100mA ；輸出電壓為3.6V時，輸出電流為500mA。b.振蕩頻率10HZ100KHZ，本設計振蕩頻率選擇20 KHZ。c.電壓調整率1%（輸入電壓范圍為340V）。d.負載調整率1%（輸入電壓3V下，空載到滿載）。e.紋波電壓（峰峰值）100mV，本設計選擇40mV.

49、4.1.2 設計電路要求此設計在輸出電流、高效率、小型化，輸出電壓的要求：1.需求的輸出電流較小，可選擇FET內置型；輸出電流需要較大時，選擇外接FET類型。2.關于效率有如下考慮：如果需優(yōu)先考慮重負荷時的紋波電壓及消除噪聲音，可選擇PWM控制型；如果同時亦需重視低負荷時的效率，即可選擇PFM/PWM切換控制型。3.如果要求小型化，則可選擇能使用小型線圈的高頻產品。通過使用高效率的產品，相對可使用較低電感值的線圈。即使用小型線圈，即使用的是小型線圈也可得到相同的效率及輸出電流。但是因為當DC/DC變換器高頻化后由于開關次數(shù)隨之增加的原因。開關損失也會增大，從而導致效率會有所降低。因此效率是由線

50、圈性能提升與開關損失增加兩方面折中決定的。線圈：如果追求高效率，最好選擇直流電阻和電感值較小的線圈。但是如果電感值較小的線圈由于頻率較低的DC/DC，就會超過線圈的額定電流，線圈會產生磁飽和現(xiàn)象，引起效率惡化或損壞線圈。而且如果電感值太小，也會引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時，則流向線圈的電流不要超過線圈的額定電流。4.在輸出電壓方面，如果輸出電壓需要達到固定電壓以上，或需要不固定的輸出電壓時，則可選擇輸出可變的VDD/Vout分離型產品。5.有力的技術支持工具。技術支持的方式為2部分：一部分為硬件，包括提供評估線路、外接組件支持；另一部分為提供一些摸板軟件以便在實際測試前可以做出評估，節(jié)省

51、設計時間。4.1.3 電路器件的參數(shù)選擇 1） 如何選擇電感 DC-DC變換器的本質是將電能以磁通量的形式儲存在電感中，然后再將該能量轉移到負載上。正因為儲存的是磁通量，而不是充電電荷，所以只要選擇恰當?shù)拈_關策略，就能使輸出電壓比輸入電壓高、低或者極性相反。為實現(xiàn)高效的能量轉移，配合MC34063使用的電感應該滿足三個要求：首先，電感的感應系數(shù)應當很小，以保證在最差情況下(輸入電壓最低、功率開關打開的時間最短)電感中能存儲到足夠的能量，但感應系數(shù)也不是越小越好，因為還要保證在另一極端情況下(輸入電壓最高、開關打開時間最長)MC34063及電感的最大(開關)電流指標不至于被突破；其次，電感必須能

52、夠存得下需求的磁通量，也就是電感不能進入飽和狀態(tài)。在基于MC34063的常規(guī)設計中，可以使用鐵氧體工藝制造的可表面貼裝的小型電感，只要它們滿足飽和電流為300mA1A，同時直流電阻小于0.4的條件；最后，電感的直流電阻越小越好，以保證電感線圈不會消耗過多的能量，因為這會使電感產生過多熱量。在選用電感時還應考慮到電磁干擾的問題，一般圓弧形狀的電感對減少電磁干擾有比較好的作用。還有一點也是最重要的，就是在選擇電感前一定要先確定整個電源電路的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的最小值和最大值。a.在升壓變換器設計中如何選擇電感 在一個升壓變換器中，電感中存儲的能量如下式所示： PL=(VOUT+VD-VI

53、N MIN)(IOUT) 式中，VD是二極管的壓降(對1N5818肖特基二極管來說是0.5V)。為保證變換器能調整輸出電壓，每個周期中由電感提供的能量必須不小于： E7 PL/fOSC 其中fOSC即為LT1111內置振蕩器的固有振蕩頻率72kHz。當開關關閉時，電感中的電流可由下式表示：   其中R'表示功率開關的等效電阻(25時的典型值為0.8)與電感直流電阻的和。如果功率開關上的壓降和VIN相比很小，則可得到一個簡化的公式： 上面這個公式假設的前提是t=0，而且電感中的電流為0。這種情況的電感工作于“不連續(xù)模式”，因為電感中的電流被我們假設為0了。實際上，電感中的電流是

54、不可能突然降至0的。將t的取值改為MC34063參數(shù)表中所示的開關打開的時間(典型值為7s)，就可以求出針對某個特定的L值和VIN的IPEAK值。求出IPEAK值后，在開關即將關閉前電感中存儲的能量就可以用下式求出：  式中，EL的值必須大于PL/fOSC以保證變換器能傳遞(或者說轉移)需求的能量。為提高效率，IPEAK值必須保持在1A以下，更高的開關電流只會導致開關上的壓降增加而使總的效率降低?？傊?，開關電流應盡可能小，這樣會使開關、二極管及電感上的損耗也會相應低一些。 b. 正壓變負壓的設計如何選擇電感 所有的輸出功率都來自電感L1。這時：   在這種變換器模式下，功率

55、開關被接成共集電極接法(與降壓模式相同)。功率開關上的壓降可以等效為一個0.75V的電壓源和一個0.65電阻的串聯(lián)電路。 當開關關閉時，電感中的電流可以表示為： 其中R'為電感的直流電阻值加上0.65，而VL為輸入電壓VIN減去0.75V。 2） 如何選擇電容 選擇合適的輸出電容和選擇合適的電感同等重要。如果這個濾波電容選擇得不好，那么變換器的效率可能會降低，輸出紋波也有可能比較大。我們通常使用的普通鋁電解電容，雖然比較便宜而且容易買到，但它的等效串聯(lián)阻抗(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)的特性都比較差，不適合配合MC34063使用。市場上有專為開關式的DC-DC變換器設計的ESR值較

56、小的鋁電解電容，它們的特性比普通的鋁電解電容好很多，特別是ESR值可以做得很小。鉭電容的特性也非常好，只是價格比較高。通過實驗得知，在基于MC34063的變換器中，使用上述三種容量均為100F的電容(假設變換器的最大開關電流為500mA)，不同的電容表現(xiàn)是不一樣的。使用普通鋁電解電容的變換器的輸出過沖最高達到120mV，而使用專用鋁電解電容及鉭電容的變換器的輸出過沖最高就只有35mV左右。 設計工程師應該充分利用ILIM特性來降低輸出紋波的幅值。以變換器工作于連續(xù)模式為例，如果是升壓變換器，其連續(xù)工作模式的條件是： 一旦輸入、輸出電壓滿足上式的關系，在開關關閉時電感的電流就不會回到零。而等到開關再次打開時，電感中的電流將從這個非零值開始增長。電感中的電流在比較器關閉振蕩器之前已經增長到一個相當高的值了，這個較高的電流值將會造成輸出紋波過大，這顯然需要更大的輸出濾波電容和電感來抑制。不過，由于有了ILIM特性的支持，開關電流可以在到達一個用戶預先設定的值處觸發(fā)功率開關關閉。這樣，輸出紋波就能減小到最小的程度，對輸出濾波