DCDC變換器畢業(yè)論文

1、緒論一. 開關(guān)電源概述開關(guān)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(chǎn)品。半個世紀以來，開關(guān)電源大致經(jīng)歷了四個階段。早期的開關(guān)電源全部有分立元件構(gòu)成，不僅開關(guān)頻率低，效率高，而且電路復(fù)雜，不宜調(diào)試。在20世紀70年代研制出的脈寬調(diào)制器集成電路，僅對開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器，從本質(zhì)上講仍dc/dc電源變換器。隨著各種類型單片開關(guān)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(shè)備，包括電子儀器儀表，家用電器。等對供電電壓

2、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(guān)電源集成電源的應(yīng)用，開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。單片開關(guān)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(chǎn)品，引起了國內(nèi)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(guān)電源集成電路，更為新型開關(guān)電源的推廣及奠定了良好的基礎(chǔ)。單片開關(guān)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(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成

3、電路。二. 開關(guān)電源的技術(shù)追求1.小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關(guān)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(guān)電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能減小儲能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)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(guān)電源的主要發(fā)展方向。2.高可能性開關(guān)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(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以要從設(shè)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(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電

4、路，提高了平均無故障時間。1.低噪聲開關(guān)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(zhuǎn)換技術(shù)，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(guān)電源的有一發(fā)展方向。2. 采用計算機輔助設(shè)計與控制采用caa和cdd技術(shù)設(shè)計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引人微機檢測和控制，可構(gòu)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(yīng)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(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平

5、穩(wěn)、快速響應(yīng)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(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)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(shù)，即將直流電壓通過功率開關(guān)器件變換成高頻開關(guān)電壓，且輸入與輸出之間完全隔離。該產(chǎn)品主要應(yīng)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(lǐng)域。其主要發(fā)展方向是：采用多芯片組件技術(shù)和新型高導(dǎo)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）和輸出功率（達200w以上），工作頻率達1

6、mhz，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(yīng)用于遠程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)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(nèi)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(shè)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)展是必然的趨勢，所以251w750w的d

7、c/dc變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實驗設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，dc/dc變換器在遠程和數(shù)字通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。四.本設(shè)計要解決的主要問題、采用的手段和方法（1）本設(shè)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(shè)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(zhuǎn)電路。五.本設(shè)計課題的意義、目的以及應(yīng)達到的要求（1）本設(shè)計課題的意義：使我們了解了dc/dc變換的發(fā)展趨勢和用途，并掌握了如何利用集成器件實現(xiàn)高效率

8、、小型化、薄型化、輕量化、高頻化的開關(guān)穩(wěn)壓電源。（2） 本設(shè)計的目的：最直接目的是實現(xiàn)直流到直流的開關(guān)穩(wěn)壓變換，設(shè)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(shù)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(shù)資料；使有一定電子理論基礎(chǔ)知識的讀者閱讀本設(shè)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(jié)合。（3） 本設(shè)計的應(yīng)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變換器的基礎(chǔ)知識1.1 dc/dc變換器的含義、分類、應(yīng)用范圍及優(yōu)

9、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(diào)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(guān)變換器。開關(guān)變換器有三種拓撲結(jié)構(gòu)：降壓變換器（開關(guān)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(guān)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(guān)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(shù)的應(yīng)用范圍主要應(yīng)用于已具有直流電源需要調(diào)節(jié)直流電壓的場合，廣泛應(yīng)用于無軌電車、有軌電車、地鐵列車、蓄電池供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

10、的調(diào)速及控制等。1.1.4 dc變換技術(shù)的優(yōu)點此技術(shù)不僅可以實現(xiàn)調(diào)壓的功能，而且還可以達到改善網(wǎng)側(cè)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(guān)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(shè)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(diào)節(jié)k，即可調(diào)節(jié)負載的平價電壓。1.2.2 dc/dc變換器的控制方式其控制方式為pwm、 pfm控制和調(diào)頻調(diào)寬混合控

11、制。pwm控制即定頻調(diào)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(dǎo)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(shè)計比較容易。pfm控制即定寬調(diào)頻控制，這種控制方式是保持導(dǎo)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(nèi)部頻率同步開關(guān)進行升壓或降壓，通過變化開關(guān)次數(shù)進行控制，從而得到對于設(shè)定電壓相同的輸出電壓。pfm控制時，當輸出電壓下降達到在設(shè)定電壓以上時即停止開關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，

12、dc/dc變換器不會進行任何操作。但如果輸出電壓下降到設(shè)定電壓以下，dc/dc變換器會再次開始開關(guān)，使輸出電壓達到設(shè)定電壓，pwm控制也是與頻率同步進行開關(guān)，但它會在達到設(shè)定值時，盡量減少流人線圈的電流，調(diào)整升壓使其與設(shè)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(shè)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(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計比較容易，消除噪聲也較簡單。第二章 dc/dc變換器主回路使用的元件選擇及其特性與質(zhì)量指標的含義2.1 三種

13、元件2.1.1開關(guān)無論哪一種dc/dc變換器主回路使用的元件只是電子開關(guān)、電感、電容。電子開關(guān)只有快速地開通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的損耗才小，目前使用的電子開關(guān)多是雙極型晶體管、功率場效應(yīng)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(guān)元件。2.1.2 電感電感是開關(guān)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”，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。電感為磁性元件，

14、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(guān)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(guān)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相反。應(yīng)用上，主要是“吸收”紋波，具平滑電壓波形的作用。實

15、際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質(zhì)、接點與引線，形成一個等效串聯(lián)內(nèi)電阻esr。這種等效串聯(lián)內(nèi)電阻在開關(guān)電源中小信號控制上，以及輸出紋波抑制的設(shè)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(guān)，也與電解液有關(guān)。常見鋁電解電容的成分為al2o3，導(dǎo)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

16、關(guān)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(dǎo)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(zhì)電容，即“鉭電容”。2.1.4器件選擇要點只如果外接開關(guān)管，最好選擇開關(guān)三極管或功率mos 管，注意耐壓和功耗。如果開關(guān)頻率很高，電感可選用多線并繞的，以降低趨膚效應(yīng)的影響。續(xù)流二極管一般選恢復(fù)時間短、正向?qū)妷盒〉男ぬ鼗O管，但要注意耐壓。如果輸出電壓很小(零點幾伏)，就必須使用mos管續(xù)流。輸出濾波電容一般使用高頻

17、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(yīng)。2.1.5 電源設(shè)計的器件選擇需要注意以下幾點： 1）選擇設(shè)計靈活性較大的dc/dc變換器，擴大電路設(shè)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(chǎn)品小型化。 4）有力的技術(shù)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(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不符合的可以通過嚴格的檢查加以剔除，在工程應(yīng)用時應(yīng)選用定點生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品。(1)元器件可靠問題元器件可靠性問

18、題，即基本失效率的問題，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會大大下降。電源設(shè)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(shù)條件進行100%的測試，剔除不合格品。b.普通電容器. 按技術(shù)條件進行100%的測試，剔除不合格品。c.接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。d.半導(dǎo)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(jié)束后應(yīng)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

19、理。(2) 設(shè)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(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。a. 多采用集成電路，減少分離器件的數(shù)目。b. 開關(guān)管選用mosfet能簡化驅(qū)動電路，減少損耗。c. 輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。d. 應(yīng)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(zhì)量等級的軍品。f. 設(shè)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(yīng)進行固封處理。h. 吸收電容器與開關(guān)整流管的距離應(yīng)當接近，因流過高

20、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(shù)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(shè)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/ui，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

21、絕對穩(wěn)壓系數(shù)k。2）輸入電壓調(diào)整率輸入電壓調(diào)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(chǎn)生的影響，通過在輸入端串聯(lián)一個預(yù)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(diào)整率。3）導(dǎo)通建立時間導(dǎo)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(diào)整（也稱電流調(diào)整率） 在額定電壓下，負載電流從0便到最大時，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

22、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

23、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(nèi)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

24、個重要質(zhì)量指標（1）電壓調(diào)整率s 電壓調(diào)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(nèi)。（2）負載調(diào)整率（輸出內(nèi)阻r0）負載調(diào)整率又稱電流調(diào)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(diào)整率也可用動態(tài)輸出內(nèi)阻r0來表示。若負載電流的變化引起輸出電壓的變化，則r

25、0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(jīng)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(guān)，其關(guān)系式v01=s*v0*vs1/vs.2.2.4 pcb布局和布線的要點（1）開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)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(shè)計得最小。用于反饋的取樣電壓要輸出電容上引出，并注意芯片或開關(guān)管的散熱。（2）

26、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(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，以使其導(dǎo)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(nèi)部設(shè)置了與主穩(wěn)壓系統(tǒng)無關(guān)的運算放大器，及開關(guān)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(nèi)部運算放大器和續(xù)流二極管，改為雙列8腳pic和smd兩種封裝形式

27、，型號為mc34063，其技術(shù)參數(shù)基本與ua78s40相同。mc34063和ua78s40除作降壓開關(guān)電源外，兩者可作升壓極性反轉(zhuǎn)和多組輸出的電壓開關(guān)電源。由于mc34063體積小，且又smd封裝形式，故應(yīng)用較廣。34063一種用于dcdc電源變換的集成電路，應(yīng)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(zhuǎn)。極性反轉(zhuǎn)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。外圍元件標稱含義和它們?nèi)≈档挠嬎愎剑簐out(輸出電壓)1.25v（r

28、1r2）ct(定時電容)：決定內(nèi)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(guān)二極管正向壓降其他手冊參數(shù)：參數(shù)名稱 符號 單位 mc34063 34063 irm03a輸入電壓 vin v 2.540

29、v 2.540v 2.540v 輸出電壓 vout v 1.2540v 1.2540v 1.2540v 最高頻率 f khz 0.1100khz 0.1100khz 0.1100khz 功率 p w 1.25w 1.25w 0.9w 工作溫度 ta 度 070度 070 070度 在實際應(yīng)用中的注意： 快速開關(guān)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 不能安全穩(wěn)定的工作3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)等多種功

30、能。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：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(nèi)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(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5a的開關(guān)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(guān)的集電極2swe功率開關(guān)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(nèi)部電路驅(qū)動器的集電極外接定時電容ct用于振蕩器的定時，調(diào)節(jié)ct可使振蕩頻率在100hz100khz范圍內(nèi)變化；ipk電流取樣其作用是保證片內(nèi)開關(guān)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?/p>

31、基準源，振蕩器的振蕩頻率由腳的外接定時電容決定，開關(guān)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(chǎn)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-4070mc34063acmc34063acnmc34063acdmc34063acd-tr070結(jié)點熱阻100c/w160c/w3.1.3 主要性能: a.具有精度高并且?guī)囟?/p>

32、補償?shù)?.25v基準電壓源.b.內(nèi)部基準電壓源的精度可達2%. c.可以構(gòu)成輸出電壓可調(diào)的dc/dc變換器.d.可以構(gòu)成升壓式、降壓式和極性反相式dc/dc變換器.e.內(nèi)部的輸出級含有一個中功率的開關(guān)管,不需外加功率管就直接構(gòu)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(shù)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(guān)電流mc34063的輸入開關(guān)電流1.5a.c. 振蕩頻率mc34063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2.5m

33、a.f. 主要電參數(shù)的極限值1.輸入電源電壓的極限值:50v2.內(nèi)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(guān)發(fā)射極電源電壓的極限值:40v.5.輸出功率開關(guān)發(fā)射極與集電極電壓的極限值:40v.6.驅(qū)動級集電極電壓的極限值:40v.7.驅(qū)動級集電極電流的極限值:100ma.8.功率開關(guān)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-4085.1

34、2.儲存溫度范圍的極限值:-4085.g. 1. 振蕩器的技術(shù)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=25 250 300 350 ma2.輸出開關(guān)的技術(shù)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

35、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(shù)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(diào)整率vin=340v15%lib輸入偏值電流輸入電 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

36、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(yīng)用、及計算3.2.1 內(nèi)部原理框圖：3.2.2 內(nèi)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(chǎn)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(guān)管導(dǎo)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(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)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

37、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(guān)管的導(dǎo)通時間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。3.2.3 功能不僅可以構(gòu)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(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和反向器。 還有就是在開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中承擔pwm控制器。3.2.4 典型應(yīng)用圖二是進行降壓式的dc-dc轉(zhuǎn)換應(yīng)用。其輸出電壓值可通過改變r4、r5電阻值來進行調(diào)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

38、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(zhuǎn)換應(yīng)用。其輸出電壓值也是通過改變r4、r5電阻值來進行調(diào)整，其輸出電壓符合以下公式：vout=(1+r4/r5)*1.25v。 圖四是反轉(zhuǎn)式的dc-dc轉(zhuǎn)換應(yīng)用。其輸出電壓值也是通過改變r2、r3電阻來進行調(diào)整，其輸出電壓符合以下公式：vout=(1+r3/r2)*1.25v 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(yīng)用 擴展輸出電流的應(yīng)用dc/dc轉(zhuǎn)換器

39、34063開關(guān)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(guān)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內(nèi)部的開關(guān)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(guān)管。圖2和圖3是外接開關(guān)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

40、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(guān)斷的延時就比較長，這就延長了開關(guān)導(dǎo)通時間，影響開關(guān)頻率。達林頓接法雖然不會飽和，但開關(guān)導(dǎo)通時壓降較大，所以效率也會降低?？梢圆捎每癸柡万?qū)動技術(shù)，圖4所示，此驅(qū)動電路可以將q1的vce保持在 0.7v以上，使其導(dǎo)通在弱飽和狀態(tài)。圖4 抗飽和驅(qū)動電路利用一片34063就可以產(chǎn)生三路電壓輸出，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_ini(1-d)，其中i

41、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(guān)斷功能的34063電路34063本身不具有關(guān)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(guān)斷功能，同時還可以實現(xiàn)延時啟動。圖6是具有關(guān)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34063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(guān))。這個電路的缺點就是當峰值電

42、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(guān)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(guān)電源的頻率和adsl性能3.2.6 主要參數(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(zhuǎn)式dc/dc變換器l（電感）170uh220uh90uhton/toffvout+vf-vin(min)/vin(min)-vsatvout+vf/vin(min)-vsat-voutv

43、out+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+toff)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)/

44、ipk(vin-vsat)*ton(max)/ipk vsat為輸出功率開關(guān)的飽和壓降。 vf為輸出整流器的導(dǎo)通壓降 vin為輸入電源電壓 vout為輸出電壓，其計算公式為vout=1.25（1+r2/r1） iout為輸出電流 fmin為在固定的輸入電源電壓和輸出電流的條件下，芯片內(nèi)部振 蕩器的工作頻率。 vripple為輸出紋波電壓的峰峰值。功能：不僅可以構(gòu)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(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和反向器。 還有就是在開關(guān)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(yīng)用，效率一般只有70%

45、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(yīng)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(yīng)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)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(yù)期的效果。雖然34063有許多缺點，但對產(chǎn)品利潤空間十分有限的制造商來說，它還是設(shè)計開關(guān)電源的很好選擇。第四章 電路設(shè)計4.1 設(shè)計要求4.1.1 設(shè)計技術(shù)指標要求在輸入電壓為340v的條件下本設(shè)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3.6

46、v時，輸出電流為500ma。b.振蕩頻率10hz100khz，本設(shè)計振蕩頻率選擇20 khz。c.電壓調(diào)整率1%（輸入電壓范圍為340v）。d.負載調(diào)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(shè)計選擇40mv.4.1.2 設(shè)計電路要求此設(shè)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(nèi)置型；輸出電流需要較大時，選擇外接fet類型。2.關(guān)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

47、的高頻產(chǎn)品。通過使用高效率的產(chǎn)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(guān)次數(shù)隨之增加的原因。開關(guān)損失也會增大，從而導(dǎo)致效率會有所降低。因此效率是由線圈性能提升與開關(guān)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(chǎn)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

48、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(chǎn)品。5.有力的技術(shù)支持工具。技術(shù)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)省設(shè)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)移，配合mc34063使用的電感應(yīng)該滿足三個要求：首先，電感的感應(yīng)系數(shù)應(yīng)當很小，

49、以保證在最差情況下(輸入電壓最低、功率開關(guān)打開的時間最短)電感中能存儲到足夠的能量，但感應(yīng)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(guān)打開時間最長)mc34063及電感的最大(開關(guān))電流指標不至于被突破；其次，電感必須能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(shè)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(chǎn)生過多熱量。在選用電感時還應(yīng)考慮到電磁干擾的問題，一般圓弧形狀的電感對減少電磁

50、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(shè)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-vin 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(diào)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(nèi)置振蕩器的固有振蕩頻率72khz。當開關(guān)關(guān)閉時，電感中的電流可由下式表示： 其中r表示功率開關(guān)的等效電阻(25時的典型值為0.8)與電感直流

51、電阻的和。如果功率開關(guān)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(shè)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(shè)為0了。實際上，電感中的電流是不可能突然降至0的。將t的取值改為mc34063參數(shù)表中所示的開關(guān)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(guān)即將關(guān)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(zhuǎn)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(guān)電流只會導(dǎo)致開關(guān)上的壓降增加

52、而使總的效率降低?？傊?，開關(guān)電流應(yīng)盡可能小，這樣會使開關(guān)、二極管及電感上的損耗也會相應(yīng)低一些。 b. 正壓變負壓的設(shè)計如何選擇電感 所有的輸出功率都來自電感l(wèi)1。這時： 在這種變換器模式下，功率開關(guān)被接成共集電極接法(與降壓模式相同)。功率開關(guān)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(guān)關(guān)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

53、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(guān)式的dc-dc變換器設(shè)計的esr值較小的鋁電解電容，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(shè)變換器的最大開關(guān)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(shè)計工程師應(yīng)該充分利用

54、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(guān)系，在開關(guān)關(guān)閉時電感的電流就不會回到零。而等到開關(guān)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(guān)閉振蕩器之前已經(jīng)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(guān)電流可以在到達一個用戶預(yù)先設(shè)定的值處觸發(fā)功率開關(guān)關(guān)閉。這樣，輸出紋波就能減小到最小的程度，對輸出濾波電容的要求也就會低得多。 3） 如何選擇二極管在mc34063的應(yīng)用中，選擇箝位二極管時必須遵循的三條準則包括開關(guān)速度、正向?qū)〞r的壓降、漏電流。我們通常用來作整流器的二極管，如1n4001