基于MC34063的大电流负电源设计
摘要：采用mc34063设计带电流扩充的负电源电路，功率mos管ntb2506作外接开关管，通过调节功率mos管的栅极驱动电阻和栅－源之间的电阻，使得栅极有最优驱动电压波形和电流大小，以增加电源的输出功率和效率。实验表明，设计的电源输出电流可达1a，且体积小、效率高。
在干涉型光纤传感器研制中，相位载波（pgc）调制解调是较为常用的信号检测方案，由滤波电路、模拟乘法器、d/a转换电路、微分电路、积分电路等部分组成，需要采用双电源供电且对电源功率要求较大。如用线性电源方案为系统供电，要经过降压、整流、滤波产生正负2种直流电压，再用稳压芯片进行稳压，不但效率低，而且滤波电容、散热片会增加电源部分体积，不适合电路小型化的要求。而用开关电源方案供电时，只需要1套经变压器降压整流后的直流电压，就可以设计出各种输出电压的稳压电源，且电源功率密度高、发热量小。
在开关电源管理芯片中，输出为正电源的器件种类较多，电路易于设计，而输出为负电源的且输出电流达到1a的电源电路则较难设计。本文采用mc34063设计负电源电路，ntb2506做外接功率管，并优化栅极驱动波形，以此提高电源输出电流的能力。
1.mc34063内部结构和电路工作原理 mc34063内部原理框图如图1所示，是一种单片双极性集成电路，具有dc/dc变换器所需要的主要功能，由基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，rs触发器和大电流输出开关管等部分组成。
图1mc34063原理框图
mc34063电路控制方式是它激式，内部有1个振荡器，通过外接电容，产生一定频率的开关脉冲信号，以控制开关管的断通，使输出端有稳定直流电压输出，开关频率由外接电容决定。mc34063可以根据实际需要，完成各种电压变换功能。
稳压电路工作原理如下：当输出电压低于设计规定值时，反馈端输入电压小于内部基准电源1.25v，误差比较器输出高电平，打开“与门”，振荡器的振荡脉冲加在rs触发器的r端，使输出端q为高电平，开关管导通，输入电压向滤波电容充电，使输出电压升高，直到反馈电压等于内部基准电源1.25v时，电路达到平衡状态，输出电压稳定在设计时规定的值；反之，当输出电压高于设计规定值时，开关管截止，电容放电，输出电压减小，最终稳定在设计时规定的值，从而达到了稳压的目的。
2.mc34063设计负电源变换电路 mc34063开关电源控制器是一种单端输出式直流变换器，它不仅可以设计升压和降压电路，而且还可以完成电压反相功能［3］。在设计电压反相的负电源电路时，由于受芯片内部电路结构的影响，流过开关管的电流是梯形波，效率偏低，使得输出电流超过200ma时，电源系统就不稳定，输出纹波电压增大，不能满足在负载要求较大的情况下运行，严重影响了其应用范围。
采用mc34063设计的带电流扩充的负电源电路如图2所示。外接开关管的选用对电路性能影响很大，直接决定了电路输出电流的大小和效率的高低。用三极管做外接开关管，可以和内部功率管接成达林顿形式和非达林顿形式两种电路。采用非达林顿电路时，在开关过程中，三极管的基极存储电荷，会导致管子达到饱和状态，当达到深度饱和时，就会影响开关频率，限制了其应用范围。采用达林顿电路时，虽然不会出现电荷饱和现象，但是开关管导通时压降增加，功耗明显变大，三极管发热严重，输出电流增加有限。采用功率mosfet做外接开关管时，具有很多优点。它是多数载流子导电的单极型电压控制性器件，不存在电荷存储问题，且开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小和无二次击穿问题等特点［5］。ntb2506是工作在低压环境下，具有高速开关特性的p沟道功率mosfet，开关特性好、损耗小，它的漏极和源极耐压为60v，栅极和源极电压可以达到20v，连续工作电流可达27.5a。故本文选用ntb2506做外接开关管与mc34063内部的功率管并接成非达林顿形式的电路结构。
功率mosfet的栅极驱动波形对电源的效率有着重要影响，若r5和r6值选择不当，会使电源效率偏低，功率管发热严重，输出电流减小。功率mosfet对栅极驱动电路的要求主要有：最优的驱动电压和电流波形，最优的驱动电压和电流大小［6］。电阻r5加在栅极和源极之间，主要作用是通过电阻对功率mosfet栅-源之间的等效电容进行充电，改善驱动电压的波形，保证开通信号具有良好的前沿陡度。如果r5的值过大，漏极与源极之间电压的突变，会通过极间电容耦合到栅极，产生相当高的栅-源尖峰电压，其电压轻则会使功率mosfet严重发热，重则会使栅-源氧化层击穿，造成管子永久性损坏。电阻r6为栅极驱动电阻，用以调节驱动电流的大小和驱动电压的波形。功率mosfet开通时，以低电阻对栅极电容充电；关断时，为栅极电荷提供放电回路，以提高功率mosfet开关速度。电阻的具体数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试，使得栅极驱动效果最好，一般情况下，电阻值不能太大。另外，电路带有感性负载，当器件在开关过程中，漏极电流的突变会产生很高的尖峰电压，可能会导致器件的击穿，开关频率越高，产生的过压越大。本文采用2种方法来消除漏极尖峰电压：一是利用二极管d在ntb2506开关过程中给电流提供放电回路；二是利用电阻r4和电容c4构成rc吸收电路，吸收ntb2506漏-源两极间的瞬时电压尖峰，这样可以基本消除尖峰电压，很好地保护了功率mosfet。
mc34063内部的误差放大器采用的是开环控制，占空比不能锁定，这给电感电容等参数的选择带来了困难，按照芯片说明书计算出的电感电容等值往往偏小，实际使用时一般是计算值的2～3倍。电容c3加在取样电阻两端，以稳定反馈电压的输入，改善瞬态响应波形。续流二极管选择正向导通电压小、恢复时间快的肖特基二极管，并且要注意耐压值和承受电流的能力。电感要选择线圈粗、承受电流大、自身电阻小的，使其发热量小，稳定性好。滤波电容除了需要电解电容外，一般还要选择等效串联电阻小的高频陶瓷电容，以减小电源的纹波电压。
3.实验结果 在电源电路中，开关管导通和关断的频率高，环路电流大，在设计pcb元件布局时应使其面积最小，布线时应使相关的线路要宽。为了减小电源的电磁干扰和改善散热系统，采用镀锌钢板将整个电源部分封闭起来，将功率管ntb2506的漏极涂上导热胶，使其和钢板紧密接触来增加散热面积，降低管子温度。
电路测试中采用的输入直流电压为18v，输出电压为-12v，元件参数见图2，测试不外接功率管和外接功率管分别为双极型晶体管tip127和功率mosfetntb2506以及改变ntb2506栅极和源极之间电阻的条件下输出电压。输出纹波电压和电源效率的数据如表1所示，表中未填的部分表示输出电压已明显偏离-12v。
表1不同条件下电源输出情况表
由表1可以看出：
（1）不外接功率管时，电源输出电流较小，外接功率管可以明显增加电源带负载的能力。
（2）外接双极型晶体管tip127时比功率mosfetntb2506效率低，带负载能力差。
（3）ntb2506栅极和源极之间的电阻对电源的效率和带负载能力有很大影响，因此，选择合适的栅-源之间的电阻可以显著改善电源的性能。
图3不同栅极驱动电阻的驱动波形
功率mosfet栅极驱动电阻的改变，对栅极驱动波形的影响如图3所示。其中，图3（a）驱动电阻为100ω，图3（b）为500ω，图3（c）为5kω，且图3（c）输出电流已经达不到1a。从3幅图的比较可以得出，栅极驱动波形随着驱动电阻的改变而改变，因此，选择合适的栅极驱动电阻可以明显改善驱动波形，减小功率mosfet的损耗，提高效率。
本文采用mc34063和ntb2506设计的负电源电路，具有输出电流大、成本低、效率较高的特点。实验室长时间运行表明，在大电流输出时，供电电压稳定，芯片温度不高，纹波电压在可以接受的范围内，特别适用于对负电源功率要求较大、体积要求较小的系统中。
适合在低频电路工作的二极管是
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开关用二极管
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在干涉型光纤传感器研制中，相位载波（pgc）调制解调是较为常用的信号检测方案，由滤波电路、模拟乘法器、d/a转换电路、微分电路、积分电路等部分组成，需要采用双电源供电且对电源功率要求较大。如用线性电源方案为系统供电，要经过降压、整流、滤波产生正负2种直流电压，再用稳压芯片进行稳压，不但效率低，而且滤波电容、散热片会增加电源部分体积，不适合电路小型化的要求。而用开关电源方案供电时，只需要1套经变压器降压整流后的直流电压，就可以设计出各种输出电压的稳压电源，且电源功率密度高、发热量小。
在开关电源管理芯片中，输出为正电源的器件种类较多，电路易于设计，而输出为负电源的且输出电流达到1a的电源电路则较难设计。本文采用mc34063设计负电源电路，ntb2506做外接功率管，并优化栅极驱动波形，以此提高电源输出电流的能力。
1.mc34063内部结构和电路工作原理 mc34063内部原理框图如图1所示，是一种单片双极性集成电路，具有dc/dc变换器所需要的主要功能，由基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，rs触发器和大电流输出开关管等部分组成。
图1mc34063原理框图
mc34063电路控制方式是它激式，内部有1个振荡器，通过外接电容，产生一定频率的开关脉冲信号，以控制开关管的断通，使输出端有稳定直流电压输出，开关频率由外接电容决定。mc34063可以根据实际需要，完成各种电压变换功能。
稳压电路工作原理如下：当输出电压低于设计规定值时，反馈端输入电压小于内部基准电源1.25v，误差比较器输出高电平，打开“与门”，振荡器的振荡脉冲加在rs触发器的r端，使输出端q为高电平，开关管导通，输入电压向滤波电容充电，使输出电压升高，直到反馈电压等于内部基准电源1.25v时，电路达到平衡状态，输出电压稳定在设计时规定的值；反之，当输出电压高于设计规定值时，开关管截止，电容放电，输出电压减小，最终稳定在设计时规定的值，从而达到了稳压的目的。
2.mc34063设计负电源变换电路 mc34063开关电源控制器是一种单端输出式直流变换器，它不仅可以设计升压和降压电路，而且还可以完成电压反相功能［3］。在设计电压反相的负电源电路时，由于受芯片内部电路结构的影响，流过开关管的电流是梯形波，效率偏低，使得输出电流超过200ma时，电源系统就不稳定，输出纹波电压增大，不能满足在负载要求较大的情况下运行，严重影响了其应用范围。
采用mc34063设计的带电流扩充的负电源电路如图2所示。外接开关管的选用对电路性能影响很大，直接决定了电路输出电流的大小和效率的高低。用三极管做外接开关管，可以和内部功率管接成达林顿形式和非达林顿形式两种电路。采用非达林顿电路时，在开关过程中，三极管的基极存储电荷，会导致管子达到饱和状态，当达到深度饱和时，就会影响开关频率，限制了其应用范围。采用达林顿电路时，虽然不会出现电荷饱和现象，但是开关管导通时压降增加，功耗明显变大，三极管发热严重，输出电流增加有限。采用功率mosfet做外接开关管时，具有很多优点。它是多数载流子导电的单极型电压控制性器件，不存在电荷存储问题，且开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小和无二次击穿问题等特点［5］。ntb2506是工作在低压环境下，具有高速开关特性的p沟道功率mosfet，开关特性好、损耗小，它的漏极和源极耐压为60v，栅极和源极电压可以达到20v，连续工作电流可达27.5a。故本文选用ntb2506做外接开关管与mc34063内部的功率管并接成非达林顿形式的电路结构。
功率mosfet的栅极驱动波形对电源的效率有着重要影响，若r5和r6值选择不当，会使电源效率偏低，功率管发热严重，输出电流减小。功率mosfet对栅极驱动电路的要求主要有：最优的驱动电压和电流波形，最优的驱动电压和电流大小［6］。电阻r5加在栅极和源极之间，主要作用是通过电阻对功率mosfet栅-源之间的等效电容进行充电，改善驱动电压的波形，保证开通信号具有良好的前沿陡度。如果r5的值过大，漏极与源极之间电压的突变，会通过极间电容耦合到栅极，产生相当高的栅-源尖峰电压，其电压轻则会使功率mosfet严重发热，重则会使栅-源氧化层击穿，造成管子永久性损坏。电阻r6为栅极驱动电阻，用以调节驱动电流的大小和驱动电压的波形。功率mosfet开通时，以低电阻对栅极电容充电；关断时，为栅极电荷提供放电回路，以提高功率mosfet开关速度。电阻的具体数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试，使得栅极驱动效果最好，一般情况下，电阻值不能太大。另外，电路带有感性负载，当器件在开关过程中，漏极电流的突变会产生很高的尖峰电压，可能会导致器件的击穿，开关频率越高，产生的过压越大。本文采用2种方法来消除漏极尖峰电压：一是利用二极管d在ntb2506开关过程中给电流提供放电回路；二是利用电阻r4和电容c4构成rc吸收电路，吸收ntb2506漏-源两极间的瞬时电压尖峰，这样可以基本消除尖峰电压，很好地保护了功率mosfet。
mc34063内部的误差放大器采用的是开环控制，占空比不能锁定，这给电感电容等参数的选择带来了困难，按照芯片说明书计算出的电感电容等值往往偏小，实际使用时一般是计算值的2～3倍。电容c3加在取样电阻两端，以稳定反馈电压的输入，改善瞬态响应波形。续流二极管选择正向导通电压小、恢复时间快的肖特基二极管，并且要注意耐压值和承受电流的能力。电感要选择线圈粗、承受电流大、自身电阻小的，使其发热量小，稳定性好。滤波电容除了需要电解电容外，一般还要选择等效串联电阻小的高频陶瓷电容，以减小电源的纹波电压。
3.实验结果 在电源电路中，开关管导通和关断的频率高，环路电流大，在设计pcb元件布局时应使其面积最小，布线时应使相关的线路要宽。为了减小电源的电磁干扰和改善散热系统，采用镀锌钢板将整个电源部分封闭起来，将功率管ntb2506的漏极涂上导热胶，使其和钢板紧密接触来增加散热面积，降低管子温度。
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表1不同条件下电源输出情况表
由表1可以看出：
（1）不外接功率管时，电源输出电流较小，外接功率管可以明显增加电源带负载的能力。
（2）外接双极型晶体管tip127时比功率mosfetntb2506效率低，带负载能力差。
（3）ntb2506栅极和源极之间的电阻对电源的效率和带负载能力有很大影响，因此，选择合适的栅-源之间的电阻可以显著改善电源的性能。
图3不同栅极驱动电阻的驱动波形
功率mosfet栅极驱动电阻的改变，对栅极驱动波形的影响如图3所示。其中，图3（a）驱动电阻为100ω，图3（b）为500ω，图3（c）为5kω，且图3（c）输出电流已经达不到1a。从3幅图的比较可以得出，栅极驱动波形随着驱动电阻的改变而改变，因此，选择合适的栅极驱动电阻可以明显改善驱动波形，减小功率mosfet的损耗，提高效率。
本文采用mc34063和ntb2506设计的负电源电路，具有输出电流大、成本低、效率较高的特点。实验室长时间运行表明，在大电流输出时，供电电压稳定，芯片温度不高，纹波电压在可以接受的范围内，特别适用于对负电源功率要求较大、体积要求较小的系统中。
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