基于MC34063芯片DCDC205降压型变换电路.docx

1、基于MC34063芯片DCDC205降压型变换电路基于 MC34063 芯片的 DC-DC(20/5) 降压型变换电路 21引言 32设计要求及分析 42.1、设计要求 42.2、设计分析 43MC34063 芯片介绍 53.1、 MC34063 的引脚图及引脚介绍 53.2、 MC34063 内部组成及示意图 53.3、 MC4063 芯片特点 64系统整体方案的论证与选择 64.1、外接开关管方案 64.2、不外接开关管方案 85基于 MC34063 变换电路的工作原理 95.1、DC-DC 开关电源的电路组成及工作原理 95.2、基于 MC34063 降压变换电路原理 116电路仿真 2

2、06.1、 proteus 仿真软件介绍 206.2、仿真电路及测试图 207实物测试及结论分析 错 误！未定义书签。7.1、实物及测试结果 错 误！未定义书签。7.2、结果分析 错 误！未定义书签。参考文献 22附 录 错 误！未定义书签。致 谢 错 误！未定义书签。基于 MC34063芯片的 DC-DC(20/5) 降压型变换电路摘 要 ：本文设计了一种基于稳压开关芯片 MC34063 的 DC-DC 电源变换电路， 可将 DC/20V变为 DC/5V ，且输出电压准确、稳定，具有低噪声、低功耗性能。鉴于 MC34063 芯片具有周期性占空比可控、 可实现直流到直流变换的特点， 借助于芯片

3、的开关作用， 实现将一定幅 值的直流输入电压转变为间断特性的脉动直流输出。 采用电感、 电容组成滤波电路， 并在输 出端设置由电阻 R1、R2 组成的取样反馈电路进行实时监测输出端的电压并将信号反馈到开 关芯片，进而调节开关的占空比使输出电压准确。运用 proteus 仿真软件对整体电路及其关 键指标进行了优化模拟，并搭建实物电路，经测试。最终电路输出稳定的直流电压 5.07V ，无明显波动，测试精确度约 2%，基本达到设计要求。关键字： 占空比可控；脉动直流； MC34063 芯片Abstract: Is designed based on the regulator switch chip

4、 MC34063 DC-DC power conversion circuits, can be DC/20V into DC/5V, and the output voltage accuracy, stability, low noise, low power consumption performance. In view of the MC34063 chip, can be achieved that the DC to DC transform the characteristics of periodic duty cycle controlled by means of the

5、 chip switch role in achieving a certain amplitude of the DC input voltage into a pulsating DC output intermittent characteristics. By inductance, capacitance to form a filter circuit, and set in the output sampling feedback circuit composed of resistors R 1 and R2, real-time monitoring of output vo

6、ltage and the signal fed back to the switch chip, and then adjust the duty cycle of the switch so that the output voltage accurately. The use of the Proteus simulation software optimized analog circuit as a whole and its key indicators, and build a physical circuit, has been tested. The stability of

7、 the final circuit output DC voltage of 5.07V, no significant fluctuations, test the accuracy of about 2%, basically meet the design requirements.Keywords: duty cycle controlled; pulsating direct; MC34063 chip1 引言近代关于降压电源基本上有开关电源和线性电源两种，线性电源（ Linear power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值， 再经过整流电路整流后， 得到脉冲直流

8、电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。开关电源就是 用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止， 将直流电转化为高频率的脉冲电 流，同时提供给变压器或者整流电路进行变压， 从而产生所需要的直流电压， 这 样的转化往往是高频的。 转化为高频电流的原因是高频电流在变压电路中的效率 要比 50Hz 高很多。一般开关电源的控制部分都是在集成片上完成而且工作时不 是很热。下面就线性电源与开关电源的效率、 经济、适用性等方面作简单的介绍。线性电源的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后， 通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源，再经过控制电路和单片微处理 控制器的智能控制下对线性调整元件进

9、行精细调节，使之输出高精度的直流 电压源。线性电源功率器件工作在线性状态，也就是说它一用起来功率器件就 是一直在工作，所以也就导致它的工作效率低，一般效率在 50%60%已经可以说是效率很好的线性电源。 线性电源的工作方式， 从高压变低压必须有降压装置， 一般的都是变压器， 再经过整流输出直流电压。 这样一来它的体积也就很大、 笨 重、效率低、发热量也大。它也有的优点有纹波小，调整率好，对外干扰小。开关电源是利用控制开关晶体管导通和关断的时间比率， 使维持稳定的输出 电压，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM ）控制部分和开关器件（ MOSFET、 BJT 等）构成。开关电源和线性电源相比，二

10、者的成本都随着输出功率的增加而 增长，但二者增长速率各异。 线性电源成本在某一输出功率点上， 反而高于开关 电源。随着电力电子技术的发展和创新， 使得开关电源技术在不断的创新， 这一 成本反转点日益向低输出电力端移动， 这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开 关电源的功率器件工作在频率非常快开关状态， 这样它的损耗就小， 效率也就相 对提高，效率可高达 80 90。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使 开关电源小型化， 并使开关电源进入更广泛的应用领域， 特别是在高新技术领域 的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。总之，随着电力电子技术的高速发展，在电力电子设备与人们的工作生 活的关系

11、日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。从 20 世纪 80 年代后期计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入世纪 90 年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、 通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这 促进了开关电源技术的迅速发展。并且开关电源的发展与应用在节约能源、节 约资源及保护环境方面都具有重要的意义。2 设计要求及分析2.1、设计要求本设计要求采用 MC34063芯片为核心设计一个由 20V变换成 5V的DC-DC 降 压型变换电路，并且要输出的电压准确，性能稳定、低噪声、低功耗。2.2、设计分析MC34063芯片为

12、一单片双极型线性集成电路， 专用于 DC-DC 开关型变换器 控制部分，既可以用于 DC-DC 升压又可以用于 DC-DC 降压。此外芯片本身带 有过流保护作用，所以在出现大电流是会自动启动保护功能，安全性较高。设计理论方面：由于 MC34063 是属于开关电源控制部分的芯片之一，所以 在设计电路之前应对开关电源的工作原理认真研究， 并了解到开关电源是通过改 变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的， 并在此基础上在就针对 MC34063 芯片内部构成及工作原理做详细分析。 最后，设计出以 MC34063 芯片 为核心的 DC-DC 降压型变换器整体电路，并对整体电路的工作流程及输出电压

13、 由哪些量来决定，使得最终仿真的实际值尽可能与理论值相符合。设计实践方面：要使得输出的电压准确、性能稳定、低噪声、低功耗就要在 弄明白由于什么原因造成输出误差，对于开关电源的噪声产生主要由于整流谐 波、开关频率产生的谐波以及在开关转换中所固有的高速电流和电压瞬变所产生 的浪涌。其产生电磁干扰是开关电源本身的特点所决定的， 是难以避免的， 关键 是如何采取有效的措施来减小其干扰程度。 本设计在输入电压端接有滤波电容用 于抑制开关电源产生噪声并向电网反馈的干扰， 也可以抑制来自电网的噪声对电 源本身的侵害。 对于输出纹波是由于随着开关管的开、 关，电感中的电流也是在 输出电流的有效值上下波动的，

14、所以在输出端也会出现一个与开关管同频率的纹 波。所以开关纹波， 理论上和实际上都是存在的。 通常抑制或减少它的做法有加 大电感和输出电容， 这是根据开关电源的公式， 电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。 所以加大电感值和输出电容值可以减小纹 波，而且这样可以有效地减小电路的功率消耗使得输出低功耗、 性能稳定、 准确 的电压。3 MC34063 芯片介绍3.1、MC34063 的引脚图及引脚介绍1）图 7为对 MC34063 芯片引脚图和对应引脚的名称图 7 MC34063 引脚名称及引脚图3.2、MC34063 内部组成及示意图MC34063 芯片内部包括：一个温度补

15、偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、一个比较器、一个与门、一个 R-S 触发器、两个三极管及一个电阻共8 个元件 组成该芯片内部电路，其电路如图 8 所示。3.3、MC4063 芯片特点MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于 DC-DC 变换器控制部分。 它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 其芯片特点有能在 3.0-40V 的输入电压下工作 短路电流限制 低静态电流 输出开关电流可达 1.5A （无外接三极管） 输出电压可调 工作振荡频率 从 100HZ 到 100KHZ （关于 MC34063 芯片的详细极限参数、电参数、设计规范 表、典型参

16、数曲线见附录）。4 系统整体方案的论证与选择4.1、外接开关管方案方案结构框图如图 1 所示， 此方案将 20V 的直流电压输入 到 MC34063 进行线性变换，由 于 MC34063 自带的开关管允许 的峰值电流为 1.5A，超过这个 值可能会造成 MC34063 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 这个差值尽可能减小可以使用较大的外接电感， 使电感上储存更多的能量这样就 使这个差值变的比较小， 使得输出的平均电流就可以做得比较大。 即使输出的电 流即使没有超过 1.5A，但可靠性会受影响。为此要使达到更大的输出电流，就 须借助外加开关管。外接的的开关管主要

17、是指外接一个三极管，且与 MC34063 里的自带的开关 管一起构成了复合管， 可等效为一个三极管， 其放大倍数是两个三极管放大倍 数的乘积。此方案采用复合连接方式来达到输出较大的电流。由于外接三 极管接在 MC34063 的内置晶体三极管的集电极或射极上都具有放大电流的2 和图 3 为分别外接于集电极的虽说这样的接法可以达到输出大电流的目的但也有不利的影响， 图 2 的接法 所组成的组合管的输入电阻 Rbe 等于前一个三极管的输入的电阻 Rbe1，那么外接 三极管易达到饱和， 当达到深度饱和时， 由于基区存储了相当的电荷， 所以三极 管关断被延时， 这就相当于延长了开关导通时间， 影响开关频

18、率， 使得输出地电 压波纹比较大且效率不高。 图 3 接法的组合管的输入电阻 Rbe为 Rbe1 (1 1)Rbe2 由于它的输入电阻很大那么在前一个三极管上的压降就比较大， 这就是说此接法 虽然不易达到饱和， 但开关导通时压降较大， 输出的电压不稳定， 效率也会降低。 其次由于外接的开关管使得信号的传输的时间延长， 导致启动时间比较长， 并且 负载的大小也不同程度影响了启动时间， 这样对于一些要求比较严格的供电设备 而言会影响设备的寿命。 通过仿真软件 proteus 对外接三极管降压电路进行模拟， 测试结果出现了较明显的波动如图 4 所示，其结果与理论分析存在的问题吻合。图 4 方案一测试

19、电路及结果4.2、不外接开关管方案方案结构框如图 5 所示，此 方案将 20V 的直流电压输入到 MC34063 进行线性变换，并通 过自身的开关管使得输出符合 要求，由此图 5 可以看出方案二 的结构框图简单，没有外加开关 管，本设计要求对电流没有严格 的要求，同时 MC34063 芯片本 图 5 方案二结构图 身就能够满足 1.5A 之内的电流，并且一般都运用在低电流电压的方面，只要求 输出的电压准确，性能稳定、低噪声、低功耗，而外加三极管开关抗干扰能力比 较差并且不能带大的负载， 为了让性能更加稳定且尽可能少添加外部开关使得输 出比较稳定、 低噪声、低功耗且能够承载大负载。 本设计综合考

20、虑选择方案二作 为采用 MC34063芯片设计一个由 20V 变换成 5V 的DC-DC 降压型变换电路， 下面图 6 是具体的电路图。图 6 方案二电路图5 基于 MC34063 变换电路的工作原理对于 MC34063 芯片本身属于开关电源类芯片， 那么以它为核心的的 DC-DC 变换的工作原理也符合开关电源的工作原理， 下面就先对开关电源具体工作原理 做一介绍。5.1、DC-DC 开关电源的电路组成及工作原理DC-DC 开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的 时间比率，使输出维持稳定电压。下面就开关电源工作原理做详细说明。开关型稳压电路大致由开关调整管、 滤波电路、脉冲

21、调制电路、 比较放大器、 基准电压和采样电路构成，一般在开关电源的电路中三极管 T 做为工作在开关 状态的调整管，电感 L 和 C 组成滤波电路，二极管 D1 称为续流二极管。脉冲宽 度调制由比较器输出和产生三角波的振荡器输出共同来决定。 比较器的反相输入 端由两电阻 R1、R2 组成采样电路。电路的工作原理分析：开关电路是采用脉冲宽度调制方式（ PWM ）来控制 输出的。采样电路得到的电压 Uf 与基准电压进行比较并放大以后得到 Ua，传送 到比较器的反相输入端。振荡器产生的三角波 Ut 则加在比较器的同相输入端。 当 UtUa时，比较器输出高电平；当 Ua Ut时，比较器输出低电平；因此，

22、调整 管 T 的基极电压 Ub 成为高、低电平交替的脉冲波形。工作流程图及其脉冲波形 可用图 9 近似去表示输出效果。图9 开关电源工作逻辑和脉冲输出当调整管处于开关工作状态即一开一闭的开关式状态。它的发射极电位 Ue 也是高、 低电平交替的脉冲波形。 在经过滤波电路的滤波处理， 就可以可以得到 比较平滑的输出电压 Uo。在理想情况下，输出电压 Uo 是调整管发射极电压 Ue 的平均值。在一定的直流输入电压 Ui 之下，占空比 D的值越大，则开关型稳压 电路的输出电压 Uo愈高。当由于电网电压或负载电流的变化使输出电压 Uo升高， 则经过采样电阻以后得到的采样电压 Uf 也随之升高，此电压与基

23、准电压比较以 后再放大得到的电压 Ua也将升高， Ua送到比较器的反相输入端，由上图所示的 波形，当 Ua 升高时，将使开关调整管基极电压 Ub的波形中高电平的时间缩短， 而低电平的时间加长， 于是调整在一个周期中饱和导电的时间减少， 截止的时间 增加，则其发射极电压 Ue脉冲波形的占空比减小，从而使输出电压的平均值 Uo 减小，最终保持输出电压基本不变。 从上面的分析了解到开关电源的电路组成及 工作方式，并据此可知开关式稳压电源的基本电路框图如图 10 所示。5.2、基于 MC34063 降压变换电路原理5.2.1、整体电路图及说明根据上面对 MC34063 芯片内部组成及开关电源工作原理的

24、研究， 设计出以 MC34063 为核心的降压变换电路如图 11 所示。图 11 整体降压电路 从整体电路图上可以看出比较器的输出端 D 和振荡器的 C 端输出电平决定 了 R-S 触发器的 Q 端输出，进而决定了三极管 T2、T1（统称开关管）是导通还 是关闭。当开关管导通时，开关管的射集给输出电容 Co 充电。当开关管关闭时， 开关管虽然已停止给输出电容继续充电但是由于电感具有维持电流的作用所以 使得输出电容 Co 上的电压保持不变。同时从电路可知比较器的反相输入电压就 是输出电容上的电压在电阻 R1、R2 组成的回路中 R1 上的分压。5.2.2 、 MC34063 降压变换电路工作原理

25、 在输入端加上直流电压，整个芯片处于工作状态，振荡器对外接在 Ct 管脚上的定时电容 Ct 不断地充电和放电以产生振荡波形。当振荡器对外充电时与门 的 C 输入端为高电平， 反之当振荡器对外放电期间 C 输入端为低电平。 同时对 于比较器而言其反相输入端的采样电压低于正相输入端的基准电压 1.25v 时D 输入端为高电平，反之比较器的反相输入端的采样电压高于正相输入端的基准电压 1.25v 时 D 输入端为低电平。可知一开始通电时在输出电容 Co 上充的很小，那 么在比较器反相输入端的采样电压就小于基准电压，所以比较器的输出端 D 一 开始保持高电平。然而在输出电压增大到使采样电压高于基准电压

26、时比较器的输 出端 D 就为低电平。当输出端 D 保持高电平时： C 为高电平时， R-S 触发器的 R 端为低电平输 入，而 S端的电平由 C和D 输入高电平经过与门为高电平输入，使得 R-S触发 器被置为高电平，使得输出开关管处于导通状态。 C为低电平时， R-S触发器的 R 端为高电平且 S 端为低电平， C 和 D 经过与门到达 R-S 触发器的 S 端为低电 平，此时 R-S 触发器被置为低电平（即触发器被复位），使得开关管处于关闭状 态。但是电感具有维持电压不变的特性， 所以在电感上产生的反电势使电流通过 负载和二极管继续流通，因此二极管 D 被称为续流二极管，此时开关管发射极 的

27、电位为负的 Ud（即二极管的正向导通电压） 。就这样当振荡器不断地给定时电 容 Ct 充电放电，开关管就也随之导通关闭。输出的电压 Uo就是由开关管导通和 关闭的时间比来决定输出值的大小。当输出端 D 为低电平时： C 为低电平时 R-S触发器 Q 输出端为低电平； 当 C 输入为高电平时 R-S 触发器 Q 输出处于保持前一状态，这样就使得 R-S 触发 器处于封锁状态，开关管被关闭，使得输入电压停止给输出滤波电容 Co 充电。由于电感上维持电压的能力不是持久的， 当电感上的电能减小后使得输出滤波电 容 Co 上的电压有所减小，进而也就减小了比较器的反相输入电压有所减小。最后，要说明的是最终

28、达到设计要求的输出稳定的电压 Uo 并不是开关管的 射集直接输出电压，而是在开关管导通时经过电感 L 平波和输出电容 Co 滤波处 理，就可以得到比较平滑的输出电压 Uo。在理想情况下，输出电压 Uo 是开关管 发射极电压 Ue 的平均值。而 Ue 又由 R1、 R2 大小有关，从电路上可知 R1、 R2 作为比较器的负反馈部分， 由比较器知识可得输出电压 Uo=1.25（1+R 2/R1） 仅与 R1、R2 数值有关，因由放大器的虚短、虚断可知反相输入端电压为 1.25V 。若 R1、 R2 阻值稳定即 Uo 亦稳定。在输入电流限制方面是通过检测连接在 VCC 和 7 脚之间电阻 Res 上

29、的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过 300 mV 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，导致输出电压 Uo 快速下降，一致使得电流保持在安全电流之内。 就上面 MC34063 为核心的 DC-DC 降压变换电路整体工作原理做了详细分析，为了使得芯片内部与外围元件的作用关系更加直观， 现就针对上面的理论分析绘 制了如图 12 的逻辑流程图。图 12 整体逻辑关系5.2.3、电路各参数分析 1）占空比本设计本身就是采取脉冲宽度调制（简称 PWN）去控制的占空比进

30、行开关控制，这里 面的脉冲宽度即在一个周期内输出高电平的 时间，如图 13 周期为 T，脉冲宽度为 t，则占空比 D 就为 ：图 13 占空比D Tt其中式中 T on为开关管 T 的导通时间 Toff 为 T的截止时间， Ton/ （T on+Toff ）也 为为占空比 D，由于 Ui=20V,要求输出的电压为 5V ，那么由上式可知占空比 D大约为 0.25即开关管在一个周期中导通时间约占 1/4 个周期，为了要求较高时就不能忽略开关管 T 和续流二级管 D 的正向压降， 根据开关电源降压理论 可知 Ton 与 Toff 的关系有：其中式中 V f为续流二极管正向导通压降、 Vsat为开关

31、管的饱和压降， Ui 为输入电 压综合(1-1)、(1-2)、( 1-3)三公式可知精确占空比为：(5-4)U o VfUi Vsat Vf2) LC 滤波电路的周期 当开关管开启时电感存储电能并给电容充电， 当开关管闭合时电感开始放出 电能续流使电容保持原有电压值， 当开关管再次开启时给电感继续充电使电感又 一次存储电能位开关管闭合时续流用， 所以 LC 电路的周期也就是开关管的周期 即3) Ton 和 Toff 的值通过上面的公式，可以计算得到 Ton、Toff。但是应该注意 Ton、Toff 分别代表 了开关管导通的时间和截止的时间， 而有前面理论可知 Ton、Toff 大小由定时电容

32、(定时电容就是指用在定时电路中的电容器，在需要通过电容充电、放电进 行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用) 的充、放电决定。定时电容一个周期的充、放电时间一般最大为 6:1，所以占空比的最大比值不能超过 6/7 或者 0.875。4) 峰值电流 Ipk峰值电流表示最大荷载时的电流值。由 MC34063 参数手册可知降压变换 时I pk 2 I omax (5-6) 则意味输出电流为 0.5A 就能向负载提供 1A 的电流。5) 采样回路的电阻 R1、R2 由于采样电路决定了输出电压大小并时刻对输出电压进行检测和调试使输 出达到恒定状态，又因为本设计采样电路为并联式的电阻可知并联电流要对输出的电流分流， 为尽可能使分流较小不会影响系统的性能， 经过测试当它的分流电 流值低于 100uA 时，对系统的性能不会产生明显影响。5.2.4、电路中各参数理论公式及