详细介绍MC的开关电源设计

详细介绍基于MC34063的开关电源设计

来源：开关电源时间：2014-05-29 08:36 浏览：次

基于MC34063的稳压电源设计

一、集成稳压电源和开关电源的区别：（1）、集成稳压器的组成

电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保电路和启动电路。

1. 调整管

在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合

管。这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。

2.放大电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。

3.基准电源

在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。

4.采样电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。

5.启动电路

启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。

6. 保护电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。

(2)、开关电源：

当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。

二、开关电源的分类：

（1）按开关管的连接方式，开关电源可分为串联型开关电源和并联型开关电源。串联型开关电源的开关管是串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路；而并联型开关电源的开关管

是在输入电压和输出负载之间并联的，属于升压式稳压电路。

（2）按激励方式，开关电源可分为自激式和他激式。在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，类似于间歇振荡器；而他激式开关电源必须附加一个振荡

器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路工作并有直流

电压输出。

（3）按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式和脉频调制（PFM）方式。PWM是通过改变开关脉冲宽度来控制输出电压稳定的方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，

将误差值放大后去控制开关脉冲周期（即频率），使输出电压稳定。

（4）按输出直流值的大小，开关电源可分为升压式开关电源和降压式开关电源，也可分为高压开关电源和低压开关电源。

（5）按输出波形，开关电源可分为矩形波和正弦波电路。

（6）按输出性能，开关电源可分为恒压恒频和变压变频电路。

（7）按开关管的个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。

（8）开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。

（9）按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和部分谐振型等

三、常见开关电源的介绍：

1、基本电路：

开关式稳压电源的基本电路框图如下图所示：

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2、单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－ 200kHz之间。

3、单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200 Ｗ的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

4、自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦用于小功率电源。

5、推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500 Ｗ范围内。

6、降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL

和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7、升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ储存能量。当开关管VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，

该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

8、反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。

四、设计降压开关电源并计算参数：

1、MC34063的介绍：

MC34063控制芯片：

该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。

MC34063集成电路主要特性：

输入电压范围：2、5～40V

输出电压可调范围：1．25～40V

输出电流可达：1．5A

工作频率：最高可达100kHz

低静态电流

短路电流限制

可实现升压或降压电源变换器

MC34063的基本结构及引脚图功能：

图1

1脚：开关管T1集电极引出端；

2脚：开关管T1发射极引出端；

3脚：定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；

4脚：电源地；

5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1％的精密电阻；

6脚：电源端；

7脚：负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；

8脚：驱动管T2集电极引出端。

2、MC34063组成的降压电路原理:

降压转换器

1.比较器的反相输入端(脚5)通过外接分压电阻R1、R2监视输出电压。其中,输出电压U。=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压。仅与R1、R2数值有关因1．25V为基准电压，恒定不变。若R1、R2阻值稳定，U。亦稳定。

2.脚5电压与内部基准电压1．25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚的电压值低于内部基准电压(1．25V)时，比较器输出为跳变电压，开启R—S 触发器的S脚控制门，R—S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态(高电平)，驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co 充电以提高U。，达到自动控制U。稳定的作用。

3.当脚5的电压值高于内部基准电压(1．25V)时，R—S触发器的S脚控

制门封锁，Q端为“0”状态(低电平)，T2截止，T1亦截止。

4.振荡器的Ipk 输入(脚7)用于监视开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到R—S触发器的Q端。

5.脚3外接振荡器所需要的定时电容Co电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管T1的通断时间。

3、电路的参数设计计算：

1.采样回路电阻R1和R2：

Uo(输出电压)：它的稳压值由R1和R2决定，其计算公式为

U。=1.25(1+ R2/R1 )。

由实际电路可知：

5=1.25(1+ R2/R1 ) （1）

采样回路电阻R1和R2要对输出回路分流，为了减少功耗，其分流电流值应低于0.001A ，才不会影响系统的性能。取值为1mA。则：

R2+R1= U。/0.001

由实际电路可知:

R2+R1=5/0.001 (2)

R1=1.2k

R2=3.6k

2.Ton与Toff 值：

Ton/Toff=(Uo+Uf)/(Ui-Usat-Uo)

其中：Uo(输出电压)、Uf为整流二极管正向压降可以取1.2V、U i(输入电压)Us 为开关管的饱和压降可以取1.0V

Ton+Toff=1/ fmin

其中：fmin (振荡器频率)：它决定开关管的通断频率。一般选20KHz

由实际电路可知：

Ton/Toff=（5+1.2）/（25-1.0-5）（3）

Ton+Toff=1/20KHZ （4）

Ton=1.23*10-5

Toff=3.77*10-5

3.电流限制电阻：Rsc

Rsc=0.33/ Ipk

Ipk:负载峰值电流

Ipk =2Io(max)=1A

Io(max):最大输出电流、有实际电路知为0.5A

实际电路可知：

Ipk=2*0.5=3；

Rse=0.33/1=0.33；

4.定时电容Ct

Ct=4*10-5*Ton (5)

Ct=4*10-5*1.23*10-5=491*10-12

即Ct可选470pf

5.电感L

L(min)= (Ui-Usat-Uo)/ Ipk*Ton(max) （6）

带入数据：L=（（25-1-5）/1）*1.23*10-5=234*10-6

即L可选：220Uh

占空比不能超过6/7，因为电容的充电放电周期为6：1

6.滤波电容Co

Co=Ipk*( Ton+Toff)/8Up-p (7)

取纹波为0.05%

则：

C0=1*（1.23*10-5+3.77*10-5）/8*（25*0.0005）

=500*10-6

C0可取：470Uf

Up-p(输出电压纹波峰一峰值)：该参数用于决定输出滤波电容Co的数值

7.输入端滤波电容C

对于输入端来说，输入端电容要求大一点，由最大输入电压为40V，取电容耐压值为50V

由 MC34063资料可知输入端电容值为100uf

五：画原理图和PCB图列清单：

原理图：

PCB图：

元件清单：

名称型号耐压/功率数量

MC34063 2.5～40V/1.25w 1 肖特基二极管IN5819 40V\40W 1 分流电阻R1 1.2K 10v 1 分流电阻R2 3.6K 10v 1 电感L1 220uh 30v 1 定时电容470pf 10v 1 滤波电容（输出）470uf 10V 1 限流电阻Rsc 0.33 40V\0.5A 1 滤波电容（输入）100uf 50V 1

实物图：

六、性能测试分析与结果：

本次设计的结果基本能够达到预期的要求：

空载时：

能比较准确的把10到25V的电源稳定在4.98V。

当输入电压为25V时测的空载电流为0.11A，输出纹波28mV 则：

电路输入功率：

Pi=25*0.11=2.75W

带负载时：

由设计的电路可知：

Imax=0.5A

理论计算出其电阻负载为：

R=Uo/Imax=5/0.5=10

调节电阻是输出的电流为0.5A，此时测的的输出电压为4.97V

则：

实际电路计算的输出负载为：

Ro=Uo/0.5=9.94

输出功率：

Po=0.5*4.97=2.485W

电压调整率为:

&U=4.98-4.97=0.01V

电路的效率

Po/Pi=2.485/2.75=90.36%

七、结论与心得：

通过这次课程设计，让我学到了很多知识：如protel的使用方法、电路制板的过程以及焊接技术，最重要的一点是让我了解了降压式开关电源的基本原理，并使我对电子产品的开发研究有了初步的认识，激发了电子制作的兴趣。在电路调试的过程中，培养了自己的耐心和毅力并掌握了电路基本查错的方法，体会到了制作电子产品的困难所在。虽然过程很艰辛，但还是得到了比较理想的结果，成功的心喜让我觉得以前所有的努力都是值得的，明白了做什么事情都不能急功近利，只有踏踏实实去做才能较好地完成，困难并不可怕，只要我们有解决它的恒心。另外，对于给予我帮助的指导老师和同学，在此表示衷心的感谢，因为有你们的帮助我才能够提前顺利完成这项实验，谢谢你们。我相信，本次课程设计对我今后的实习和工作，肯定会有很大的帮助，希望我能在此基础上越走越