基于MC34063的开关电源设计.doc

电子技术课程设计报告设计课题：基于MC34063的开关电源设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 目 录1.设计任务与要求.32.BUCK型电路.3 2.1线路组成.3 2.2工作原理.43.开关电源的分类.44.常见开关电源的介绍.5 4.1基本电路.5 4.2单端反激式开关电源.54.3单端正激式开关电源.6 4.4自激式开关稳压电源.74.5推挽式开关电源.84.6降压式开关电源.84.7升压式开关电源.94.8反转式开关电源.95.MC34063的基本知识.105.1 MC34063的内部结构.105.2 MC34063的主要参数与特点.11 5.3 MC34063的工作原理及内部电路说明.116.由MC34063组成的降压电路及计算参数.12 6.1 MC34063组成的降压电路原理.12 6.2 电路的参数设计计算.137.性能测试分析与结果.168. 结论与心得.189.参考文献.2010.附录.20正文一、设计任务与要求1掌握PCB制板技术、焊接技术、电路检测以及集成电路的使用方法。2掌握mc34063的非隔离开关电源的设计、组装与调试方法。3研究开关电源的实现方法，并按照设计指标要求进行电路的设计与仿真。具体要求如下： 分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出见解。 掌握开关电源的工作原理。 设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。主要技术指标直流输入电压：1530V；输出电压：5V；输出电流：0.5A；效率：80%。二BUCK型电路 在实际应用中我们对电压有很重要的应用，而且很多时候我们对电压的值有十分严格的要求，所以 有时在电路中也要求我们使用一些方法来达到升压或者降压的目的，以完成自己设计的要求，故对升压与降压电源电路的认识有着重要的意义。 开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。 开关稳压电源分为三种，即BUCK型电路（降压）、 BOOST型电路(升压)、Buck-Boost型电路(降压-升压混合)。现在我对基本电路BUCK做简要说明，以方便大家对基于MC34063开关稳压电源设计的理解。2.1.线路组成图1（a）所示为由单刀双掷开关S、电感元件L和电容C组成的Buck变换器电路图。图1(b)所示为由以占空比D工作的晶体管Tr、二极管D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流电压Vs转换成直流电压Vo的功能。图Buck变换器电路2.2.工作原理 当开关S在位置a时，有图2 (a)所示的电流流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当is>Io时，电容在充电状态。这时二极管D1承受反向电压；经过时间D1Ts后（，ton为S在a位时间，Ts是周期），当开关S在b位时，如图2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流iL不变。负载R两端电压仍是上正下负。在iL<Io时，电容处在放电状态，有利于维持Io、Vo不变。这时二极管D1，承受正向偏压为电流iL构成通路，故称D1为续流二极管。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。工作中输入电流is，在开关闭合时，is>0，开关打开时，is=0，故is是脉动的，但输出电流Io，在L、D1、C作用下却是连续的，平稳的。图Buck变换器电路工作过程三、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四、常见开关电源的介绍：4.1、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。       4.2、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，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出。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20100，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。4.3、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，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管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。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50200 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。4.4、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。4.5、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 范围内。4.6、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向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感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。4.7、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，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感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。4.8、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。 五MC34063的基本知识该器件本身包含了DCDC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，RS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DCDC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。5.1、MC34063的内部结构图7 MC34063内部逻辑结构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100100kHz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。5.2、MC34063的主要参数与特点能在3.0V至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100HZ至100KHZ可构成升压、降压或反相电源变换器5.3、MC34063的工作原理及内部电路说明由于内置有大电流的电源开关，MC34063的能够控制的开关电流达到1.5A。该芯片由内部线路由参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管等几部分组成（如图7所示）。参考电压源是用于温度补偿的带隙基准源。振荡器的震荡频率由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与振荡器相连的逻辑控制线置路成ON，并由与震荡器输出同步的想下一个脉冲置成OFF。 振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断的充电放电，以产生振荡波形。充电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输入端在振荡器的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的时候，触发器被置于高电平，输入管导通。反之，当振荡器在震荡放电期间，C输入为低电平，触发器被复位，使得输入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）对定时电容进行快读充电，以减少充电时间和输入开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的输出开关管的关闭时间延长。六、由MC34063组成的降压电路及计算参数：6.1、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125V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125V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(125V)时，比较器输出为跳变电压，开启RS触发器的S脚控制门，RS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(125V)时，RS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RS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。如果对输出电流较大的要求，我们还可以在电路中加上一个扩流电路。现在我们以一个降压扩流电路为例，讲解实际降压电路。降压电路技术要求为：输入12V，输出5V，最大负载电流1.5A(需扩流) 。 我们已经知道MC34063内部的达林顿管的极限饱和电流为1.5A，若要最大负载电流也要达到1.5A，那么在电流外部就必须要进行扩流，使得在从管脚1输出电流远小于1.5A的情况下，最大负载电流能够达到1.5A。电路如 图9。图9 MC34063组成的降压扩流电路 降压扩流电路图如 图9，现在我们通过MC34063的外围电路元器件的计算方法来计算各元件的参数指标。元件参数计算表容易 图10。6.2、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：6=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=6/0.001 (2)R1=1.2kR2=4.7k2.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1.0VTon+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=2.37*10-5Toff=2.63*10-53.电流限制电阻：RscRsc=0.33/ IpkIpk: 负载峰值电流 Ipk =2Io(max)=1AIo(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CtCt=4*10-5*Ton (5)Ct=4*10-5*2.37 *10-5=948*10-12即Ct可选1000pf5.电感L L(min)= (Ui-Usat-Uo)/ Ipk*Ton(max) （6）带入数据：L=（15-1-6）/1）*2.37 *10-5=190*10-6即L可选：190 Uh占空比不能超过6/7，因为电容的充电放电周期为6：16.滤波电容CoCo=Ipk*( Ton+Toff)/8Up-p (7)取纹波为0.05%则：C0=1*（2.37 *10-5+2.63 *10-5）/8*（30*0.0005）=417*10-6 C0可取：470UfUp-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的数值待添加的隐藏文字内容37.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 七、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19到30V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%八、结论与心得 本次课程设计是我的第一次模电课程设计，所以在完成过程中遇到了许多困难，但由于有师兄们的帮助和自己的坚持不懈，最终还是能够较为满意的完成本次课程设计。现在对课程设计中的经验总结如下: 1.集成芯片的PDF介绍一定要认认真真的看。在电路设计之初，由于对模电课程设计的陌生，只是在网上胡乱的看资料，浪费了大量的时间与精力，却获得的较少。但我认真看完MC34063的PDF之后，收益非常多。集成芯片的PDF一般都会对该芯片内部电路、各种参数的极限指标、基本用法以及用法电路都会有所介绍。 2.在使用MC34063PDF内的计算公式表的时候一定要注意各个参数的计算，不要出现计算错误。3.在调试电路的过程中要注意MC34063的温度，以防温度过高，烧坏芯片。在调试初期，电路中肯定会一些错误，这些错误可能会导致电流、电压过大而使MC34063迅速产生大量的热量，而是新片烧坏。4.在调试电路过程要注意电源的正负极不要接反了，同时也要注意芯片MC34063不要插反了。出现以上两种意外情况都会烧坏芯片。5.在画PCB图和焊接是应注意一下几点：（1）将走线设置成焊盘属性，这样在线路板制造时该走线不会被阻焊剂覆盖，热风整平时会被镀上锡。 （2）在布线处放置焊盘，将该焊盘设置成需要走线的形状，要注意把焊盘孔设置为零。 （3） 在阻焊层放置线，此方法最灵活，但不是所有线路板生产商都会明白你的意图，需用文字说明。在阻焊层放置线的部位会不涂阻焊剂 （4）焊接电路一定要注意不要烧坏元器件。我在焊接电路的过程，由于焊接功夫不够和烙铁的温度过高，出现了几次烧坏电器元件的事情发生。所以在焊接的过程，“点焊”是非常重要的。线路镀锡的几种方法如上，要注意的是，如果很宽的的走线全部镀上锡，在焊接以后，会粘接大量焊锡，并且分布很不均匀，影响美观。一般可采用细长条镀锡宽度在11.5mm，长度可根据线路来确定，镀锡部分间隔0.51mm 双面线路板为布局、走线提供了很大的选择性，可使布线更趋于合理。关于接地，功率地与信号地一定要分开，两个地可在滤波电容处汇合，以避免大脉冲电流通过 信号地连线而导致出现不稳定的意外因素，信号控制回路尽量采用一点接地法，有一个技巧，尽量把非接地的走线放置在同一布线层，最后在另外一层铺地线。输出 线一般先经过滤波电容处，再到负载，输入线也必须先通过电容，再到变压器，理论依据是让纹波电流都通过旅滤波电容。电压反馈取样，为避免大电流通过走线的影响，反馈电压的取样点一定要放在电源输出最末梢，以提高整机负载效应指标。 九.参考文献：1康华光.电子技术基础 模拟部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006MC34063中英文PDF 2王水平，开关稳压电源 原理设计及实用电路，西安电子科技大学出版社3张占松.开关电源的原理与设计（修订版），电子工业出版社，20044王水平.开关稳压电源原理设计及实用电路，西安电子科技大学出版社5孙余凯.吴鸣山.电路识图与应用快捷入门丛书，电子工业出版社，2010附录：PCB图：元件清单：器件类别元件序号型号参数数量电解电容C1100uF/50v1电解电容C3470uF/25v1普通电容C21021C41031电阻Res0.33/2w1R11.2K/25v1R64.7K/25v1三极管Q1MOSFET N1稳压二极管D1DIODE SCHOTTKY1电感L1200uH1接线柱J1/J2CON22芯片UC3843AN1实物图：