基于MC34063的开关电源电路参数计算方法

　　开关电源以其高效率、小型、重量轻的特点被用于几乎所有的电子设备，是电子信息行业飞速发展中不可缺少的一种电源。而在开关电源的设计中，开关电源芯片外围电路各参数设计是关系到开关电源稳定可靠工作非常重要的一环。MC34063是一种振荡频率可变的电流检测型DC-DC转换芯片，按照其规格书对其外围电路设计，当负载较重时，输出电压往往不能稳定在目标电压值。针对此问题，本文对电路参数的设计方法进行改进，并且通过实验验证改进参数的合理性。
　　1MC34063电路介绍

　　1.1MC34063基本特性

　　MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。通过不同外围电路设计，可实现升压、降压、电压反向等功能。其基本特点如下：输入电压在6~40V之间；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；振荡电容为470pF，当负载较轻时，其工作振荡频率从50KHz到55KHz，当负载较重时，其工作频率可达80KHz。
　　1.2MC34063的工作原理

　　MC34063的内部结构如图1所示。振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的（当负载恒定时），振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。在图1中，与门的一端接在振荡器输出端，在振荡器对外充电达到某个阈值电平时振荡器输出翻转为高电平。与门另一端接在比较器的输出端，当比较器的反相输入端低于1.25V时，比较器输出高电平。当与门的两输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之当振荡器的电容在放电期间输出低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。

　

　　图1MC34063内部结构图

　　通过检测连接在VCC（6脚）和7脚之间采样电阻上的压降来完成电流限制，当检测到电阻上的电压降达到300mV时，电流限制电路将振荡器的充电过程强制成放电过程，迫使振荡器的输出为低电平，使触发器复位，关闭输出开关管。
　　2MC34063降压电路设计

　　在白色家电中，通常需要将继电器使用的+12V转化为数字电路使用的+5V电源。利用MC34063可以实现高效廉价的转换电路。例如，将+12V转化+5V、输出电流为0.5A的电源，其输出的滤波波动电压Vop为50mV。现有的计算方法在对电感及输出端电容的计算上与实际值存在一定差距。本设计通过输出电容上电压的变化，利用过渡过程进行分析，并计算出MC34063电路中电感L1以及输出电容C3两个关键器件的值。
　　根据要求，由12V变为5V，则开关电源的占空比为：

　　D=5/12=0.42                                                        （1）

    MC34063通过的最大输入电流Iimax为：Iimax/D=0.5/0.42=1.19A                            （2）
　　MC34063降压电路如图2所示。

　　

　　图2MC34063降压电路+12V转+5V

　　2.1电阻参数的选择

　　降压电路中电阻分为输入端的限流电阻和回路采样电阻。降压电路中限流电阻R1的阻值为：

　　R1=Vipk/Iimax=0.3/1.19=0.252Ω                               （3）

　　故，R1选择1%精度的0.24Ω的标准电阻值。
　　采样回路电阻R2和R3要对输出回路分流，为了减少功耗，R2与R3选择千欧级别电阻，因此选择R2为3.6kΩ（1%精度），R3为1.2kΩ（1%精度）。
　　2.2电感L1与输出滤波电容C3的计算

　　本设计的振荡电容C2采用推荐的470pF电容，这样，开关电源芯片的最小工作频率为50kHz。则开通时间Ton与关断时间Toff分别为：

　　Ton=0.42/50000=8.4uS                          （4）

　　Toff=（1-0.42）/50000=11.6uS                       （5）

　　峰值电流Ipk与最大输出电流Iomax：

　　Ipk=Vipk/R1=0.3/0.24=1.25A                            （6）

　　Iomax=D*Ipk=0.42*1.25=0.525A                       （7）

　　因滤波波动电压Vop=50mV，则输出的变化范围为5/2?Vop，即［4.975V，5.025V］。输出电容C3最大电压为5.025V，最小电压为4.975V，放电的初始状态为零输入响应（Toff状态），则有：

　

　　考虑到铝电解电容有20%的偏差，则C3=116uF/0.8=145uF，选择20%精度的标准容值220uF。
　　在Ton状态，根据能量守恒（L1储能，电容C3充电，负载消耗电能）有：

　　

　　电容C3的充电电流为：

　

　　?C3的充电电流大于输入峰值电流Iipk，其原因是C3电容容量实际值比计算值大所致。所以，实际C3的充电电流与其滤波波动电压分别为：

　　

　　为避免达到芯片限制电流，电感的电流IL1按照限制电流的0.8倍来计算，即，IL1=1.25*0.8=1A。这样，对上式整理并计算，得：L=42.08uH。由于电感有20%的偏差，则L=42.08uH/0.8=52.6uH，选择20%精度的标准感值68uH。
　　2.3其他器件参数选择

　　续流二极管V1一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，若选择普通的二极管则会使DC-DC的效率降低5~10%，本设计中选择IF=1A的1N5817肖特基二极管。
　　3实验测试

　

　　对设计的电路进行实验，开关电源芯片为ST的MC34063，输出电容取标准值220uF，电感取68uH。限流电阻及采样电阻均选择1%精度。对开关电源输出端分别测试其空载、轻载（0.1A）、重载（0.5A）时+5V的输出情况及C2电容处的振荡周期，波形图如图3、4、5所示。输出的波动由滤波波动（纹波）和器件的开关噪声两部分组成，其中开关噪声可通过在输出电容C3两端并联30pF和4.7nF的电容来抑制，在本次测试中由于开关噪声对结果影响不大，因此未对输出端的噪声进行处理。从表1中可知，输出在三种负载下能较好的稳定在+5V，输出波动随着负载的增加而增大，MC34063的工作频率随负载增加而升高，体现出其频率可变这一优势，三种负载的输出波动小于5%，能够满足开关电源的工作要求。

　　表1不同负载输出对比

　　

　　4结论

　　实验数据表明采用过渡过程计算出的电容电感能够保证DC-DC输出精度要求，并且电路运行稳定，输出波动小，进而验证了本参数设计的有效性及可行性。