基于MC34063的高升压比单片开关电源设计研究

亓晓彤

（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070）

基于MC34063的高升压比单片开关电源设计研究

亓晓彤

（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070）

针对直流开关电源设计中，在低输入直流电压下，以简单易行的方式获得高升压比直流输出的困难，使用在开关电源设计中广泛使用的MC34063单片电源控制芯片，通过增加高频升压变压器，给出了具有高升压比变换能力的升压型开关电源设计结果，具有电路结构简单，元件少，使用方便等优点，可用于仅有低压直流电源供电而需要较高直流电压输出的小功率应用场合。

单片开关电源；直流／直流升压变换器；高升压比；MC34063；高频变压器

0 引 言

在电子信息系统设计中，经常需要电压等级较高的直流电源，而系统仅有低压直流电源提供，例如某些车载系统仅有12 V的蓄电池供电，这时使用升压变换器获得高电压等级的直流输出是一条有效的途径。常规的Boost升压变换器升压比有限，难以获得大升压比的直流输出电压，因此研究在不需大规模增加电路复杂程度的情况下，获得高升压比的升压变换方式有实际意义。MC34063是一种上世纪80年代出现的单片双极性线性升降压型集成开关电源控制电路［1］，在小功率开关电源设计中获得了广泛应用［2－5］，MC34063片内包括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1．5 A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压变换器，例如文献［2］给出了一种输入电压5 V，输出15 V的小功率开关电源的设计，电路实现简单，使用元件少，输出电压纹波小，因此应用广泛。

本文以MC34063为核心控制芯片，通过增加输出升压变压器，实现了基于MC34063的大升压比开关电源设计。实践证明，所设计电路具有结构简单，指标优异，元件少，便于集成等优点。

1 设计技术方案

1．1 技术指标要求

电源的技术指标为：

（1）输入电压12 V±10%；

（2）额定输出电压100 V；

（3）额定输出电流10 mA；

（4）输出电压纹波0．5%。

1．2 技术实现方案

MC34063芯片输入电压范围为3～40 V，输出电压范围为1．25～40 V，具有短路电流限制、低静态电流、输出电压可调、工作振荡频率为100 Hz～100 kHz等特点。

在本系统设计中，MC34063工作在升压工作模式，因为它的最高输出电压仅为40 V，不能满足技术指标要求需要，因此在本系统设计中，考虑增加一级输出升压变压器电路，即可发挥MC34063电路结构简单的优势，增加元件数也少，有利于和被供电系统集成于一块电路板上，减小系统的整体体积。设计方案如图1所示。可见与MC34063用于常规升压电路相比，仅是将升压电感变成了升压变压器，因此设计方案保持了该芯片应用所具有的优势。

图1 系统设计方案

2 系统原理与参数设计

2．1 MC34063的工作原理

图2给出了MC34063电源控制芯片引脚图及原理框图。各引脚功能如下：

1脚：开关管T1集电极引出端；

2脚：开关管T1发射级引出端；

3脚：定时电容CT接线端，调节CT可以时工作频率在100 Hz～100 kHz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；

6脚：电源端；

7脚：负载峰值电流IPK取样端，6、7脚之间的电压超过300 mV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。

图2 MC34063电源控制芯片引脚图及原理框图

振荡器通过恒流源对外接定时电容CT（管脚3）不断的充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流恒定，振荡器的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时触发器被置为高电平，输出开关管导通；反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制通过检测连接在输入电源与5脚之间的电阻上的压降来完成。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。

2．2 电路参数设计

（1）关断时间toff与导通时间ton

变压器在本设计中主要起到隔离和升压的作用，考虑到输出电压为100 V的设计要求，拟设计变压器原、副匝数比为N1／N2＝1／4。根据设计指标，求出芯片MC34063导通时间与关断时间的比值为：

其中VF为续流二极管D1的导通压降，Vsat为MC34063中三极管T1的饱和电压。

考虑到芯片温升等因素，取开关频率为35 kHz，可求得工作周期Ts：

进一步求得额定输入电压下的关断时间toff与导通时间ton：

（2）定时电容CT

根据MC34063中外接时间适配电容CT的值的计算公式，计算CT：

取标称值1 nF。

（3）限流电阻R1

负载电流为Io，负载峰值为IPK：

通过在在MC34063的6、7脚之间串联一个采样电阻R1，并监控该电阻两端电压的跌落情况来实现限流。当电阻两端电压大于300 mV（datasheet中可以查到Vipk（sense）的典型值为300 mV）时，说明电流过大，内部电流保护电路将会再开启多一个电流通道对时间适配电容CT进行充电，使得CT以更快的充电速度充电至其最高阀值电压，从而缩短了ton的时间，使得变压器所储存的能量变少，起到了电流限制的控制目的。R1的计算公式为：

（4）驱动电阻R2

结合图2的MC34063原理框图，图1中驱动电阻R2的值可以通过下面的计算求得，取MC34063中晶体管的共射电流放大系数β为20。则：

其中，IB（T1）是指图2中晶体管T1的基极电流；I100（T2）是指图2中MC34063的晶体管T2的发射极串联的100Ω电阻所流过的电流；IC（T2）是指图2中晶体管T2的集电极电流。

（5）分压电阻R3和R4

输出电压Vout需要通过分压得到一个1．25 V的电压反馈到根据MC34063A的第5脚，本设计所有采用两个电阻R3与R4串联的分压方式，并且R3与R4满足关系：

取R4＝1 kΩ，则，R3（max）＝81．4 kΩ，取R3＝82 kΩ。

（6）变压器的设计

由开关工作频率，选择R2KS铁氧体材料做磁芯，其参数如表1，磁芯的结构为EE型，磁芯尺寸参数如表2，外形参数图如图3所示。

表1 R2KS铁氧体材料参数

由于开关频率为fs＝35 kHz，先初选最高工作磁密度Bm＝100 mT，由表2知EE42B磁芯的有效导磁面积Ae＝178 mm2。先计算副边匝数，副边的匝数N2可由下式决定：

式中N2的单位为匝；Ae为磁芯的有效导磁截面积，单位为（m2）；fs是开关频率，单位为赫兹（Hz）；Bm的单位为特斯拉（T）。

表2 EE磁芯规格表

对于本设计：取Vout（min）＝100．7 V，Dsec（max）＝24．2／28．6＝0．85，Ae＝178 mm2，fs＝35×103Hz，得：N2＝34．4，取35匝，根据原副边匝数比，可以计算出原边匝数为N1＝ k·N2＝8．75．实际实验中取原边匝数为9匝，则副边为36匝。

图3 EE磁芯尺寸示意图

3 实验结果及分析

图4 高升压比变换器在额定负载下的输出电压波形图

按照设计参数搭建了实验电路，进行了实验研究，实验条件为输入电压12 V，输入电压变化范围±10%，负载为标称值10 kΩ／1W的电阻，图4、图5分别给出了所设计的高升压比DC／DC变换器在额定负载下的输出电压和输出纹波实验波形。由图4可见，输出电压V0达到了100 V的输出设计指标；由图5可见，输出电压的纹波与尖峰噪声ΔV0仅占2格，峰峰值约400 mV，纹波与尖峰噪声优于指标中所提输出电压纹波小于0．5%的要求。

图5 高升压比变换器的输出电压纹波和尖峰噪声波形图

4 结束语

MC34063是一款用于单片DC－DC变换器的专用芯片，外围元减少，使用方便，但是它的输入和输出电压最大不能超过40 V，不能满足所设计电源技术指标中额定输出电压为100 V的设计要求，为此，本设计引入变压器代替MC34063典型应用电路中的电感，使得电压输出达到设计要求，是一个很好的设计理念。

本设计经过电路测试证明，能够满足设计指标要求，并且性能稳定。对于较大功率需求的高升压比输出应用场合，本电路使用元件少的设计理念也有指导意义，只是要增加外部大功率驱动管来支撑大功率输出，电路仍然简洁，且实现方便，因此有较强的推广价值。

［1］张建民，姚佶，何怡刚，等．姚基于ATmega16单片机的电能收集充电器设计［J］．现代电子技术，2013，36（2）：135－136，140．

［2］陈沛丰．基于MC34063A的开关稳压电源设计及外围器件参数计算［J］．机电工程技术，2012，41（5）：90－94．

［3］赵轩坤，杨日杰，龚思扬，等．基于MC34063的隔离式DC－DC电路设计与实现［J］．电子测量技术，2012，35（12）：35－37．

［4］唐美玲，赵佑初．基于MC34063的斩波型开关电源的典型设计与研究［J］．电源技术应用，2011，14（2）：54－59．

［5］管小明，李跃忠，王晓娟．基于MC34063的便携式仪器电源电路设计［J］．东华理工大学学报，2010，33（1）：97－100．

A Study on the Design of MC34063-based High Step-up Ratio Monolithic Sw itch Power Supply

QIXiao-tong
（College of Information Engineering ofWuhan University of Technology，Wuhan Hubei430070，China）

As it is difficult to obtain a DC outputofhigh step-up ratio in a simple and practicableway under a low inputDC voltage in the design of DC switch power supplies，MC34063，amonolithic power supply control chip extensively applied in the design of switch power supply，combined with a high-frequency boost transformer，give a boost switch power supply design with high step-up ratio，which，characterized through simple structure，limited number of elements and easy usage，is applicable to small power occasionswhere only low-voltage DC power supply is available and relatively high DC voltage output is needed．

monolithic switch power supply；DC／DC boost converters；high step-up ratio；MC34063；high frequency transformer

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．008

TP46

A

1000－3886（2014）04－0023－03

亓晓彤（1992－），女，山东莱芜人，大学本科，当前主要在电子电气及信息领域开展学习和研究工作。

定稿日期：2014－03－28