基于mc34063集成电路的开关电源设计-.doc

目录
前言……………………………………………………………………………………9
一、直流稳压电源的构成……………………………………………………………11
二、直流稳压电源的分类……………………………………………………………15
三、直流稳压电源的技术指标………………………………………………………17
四、开关稳压电源的工作原理………………………………………………………20
五、调宽式开关稳压电源的电路组成………………………………………………21
六、开关稳压电源与串联可调式稳压电源…………………………………………23
七、电路方案的选择…………………………………………………………………25
八、 MC34063应用电路图设计……………………………………………………28
九、电源的PCB板的作………………………………………………………………31
十、方案验证…………………………………………………………………………33
致谢……………………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………………35

基于MC34063集成电路的开关电源设计

摘要

为了提高电源的利用效率和缩小设计电源的尺寸，本文采用MC3406集成芯片的开关稳压电源，并对芯片内部结构和外部电路作简要介绍，给出一个完整的开关稳压电路设计，并对电路作了具体论证，最终完成开关稳压电源的实物制作。

关键词：开关稳压电源；整流滤波电路；PWM控制电路；MC34063

引言
电源是各种电子设备的核心，因此电源的优劣直接关系到电子设计的好坏。另外电子设计者不得不考虑的一个问题就是效率问题，所以一个好的电源不仅要工作可靠还应该有较高的效率，而开关电源正是正好符合以上两点。
自开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达70%~90%，而线性电源的效率只有30％~40％。随着超大规模集成芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸也越来越小；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

正文

一、直流稳压电源的构成
许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压），是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
二、直流稳压电源的分类
直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。
目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：
1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1只电阻和1只稳压管即可构成参数型稳压器。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。
2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。
3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。
4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。
5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。本文主要研究开关式稳压电源。

三、直流稳压电源的技术指标
稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。
1、特性指标
2、输入电压及适用范围。
3、输出电压及输出电压调整范围
4、额定输出电流（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。
（1）电压调整率
负载电流Ｉ0 及温度T不变而输入电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量△U0/U0与输入电压变化量△U1之比值，称为电压调整率，即

一般直流稳压电源的电压调整率SU为1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化时，输出电压的变化量△U0，单位为毫伏。
（2）稳压系数
稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即

式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。
一般情况下S在10-2~10-4数量级。显然，S越小稳压电路输出电压的稳定性越好。
（3）负载调整率（亦称电流调整率）
在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示

（4）输出电阻（内阻）
当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，即
R0=
其单位为欧。R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。R0越小负载能力越强，一般R0<1。
（5）最大纹波电压与纹波抑制比
叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△U，一般为毫伏级。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。
纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△U与输出纹波电压峰—峰值△U之比，并取对数，即
SR=20 lg

单位为分贝（dB）。在质量指标中第（1）、（2）项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标，第（3）、（4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标，第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。

四、开关稳压电源的工作原理

4—1 、 开关稳压电源的工作原理
图4-1所示是开关稳压电源的基本原理。它由开关调整管BG1、储能电路(由D、L、C组成)和控制电路三部分组成。控制电路产生一个脉冲宽度可调的矩形脉冲，它控制开关调整管的导

图4-1开关式稳压电源原理图

通时间的长短。当正脉冲来到时，BG饱和导通，通过BG的电流iL经L形成回路。通过L的电流iL不能突变，而是从零按线性增大，即

可见，脉冲宽度越大，BG导通的时间越长，则i越大。
由于L的电感量大，流过L的电流主iL转化为电感的磁场能量。在此同时，L的自感电动势为上正下负，使D截止。当脉冲过去，BG截止，L的自感电动势变为上负下正，D导通，产生电流iz，电感线圈的磁场能转化为电场能，向C充电，电压极性为上负下正。由于在BGl截止期间，D的导通使L维持了原来方向的电流，故D称为续流管。
当正脉冲再出现时，BG再导通，L又储电，D截止，C向RJz放电，给负载提供电能。当脉冲过去，BG再截止时，L又给C充电。由于C·Rfz乘积很大，在通电的短时间内Vsc就可保持稳定。显然，控制BG开关的脉冲宽度越大，BG的导通时间越长，L的储能就越多，Vsc高；反之，开关脉冲的脉宽短，则L的储能小，Vsc低。开关稳压电源的输出电压可用下列公式来计算：

T1为调整管的导通时间，它等于脉冲宽度，T为开关脉冲的重复周期。T1与T的比值叫占空比，上式也可表示为

可见，稳压电源的调整和稳定，可调节开关脉冲的占空比来实现。调节的方法有两种：一种是周期保持不变而改变脉冲宽度，这种为调宽式开关稳压电源，如图4-2(a)所示。另二种是改变占空比时，整个周期也改变，称为调频式开关稳压电源，如图4-2(b)所示。

图4-2(a) 调宽式 如图4-2(b)调频式

五、调宽式开关稳压电源的电路组成

5.1.直流开关稳压电源的组成部分：

图5-1直流开关稳压电源的组成

图5-2是调宽式开关稳压电源的组成方框。它的控制电路包含脉冲发生器、取样比较与脉冲调宽这几部分组成。

图5-2开关式稳压电源的组成方框
脉冲发生器就是脉冲自激振荡器，为减少开关脉冲的干扰，所以其开关脉冲频率与行频同步。为了使输出电压稳定，需从输出电压取样比较，将误差电压送到脉冲调宽级，使控制脉冲的宽度随输出电压的变化而变化。如输出电压下降时，取样比较级将取出一个误差电压，反馈到脉冲调宽级，使脉冲宽度增大，脉冲的占空比增大，从而使输出电压上升，反之，当输出电压上升时，取样比较级输出的误差电压，将使脉冲宽度变窄，脉冲占空比变小，从而使输出电压下降。在家用电器中应用较多的是变压器耦合式开关稳压电源，它可省去电源变压器，而且同时得到几路输出，其原理如图5-3所示。其工作原理基本上和上述相同，当开关正脉冲来到时，BG导通，D截止，脉冲变压器T将能量储存起来；当开关脉冲过去，BG截止：D导通，T的次级线圈释放能量并给C充电，形成输出电压。

图5—3变压器耦合式开关稳压电源

六、开关稳压电源与串联可调式稳压电源

开关稳压电源与串联可调式稳压电源相比，其优缺点见表6—1。
表6—1 两种稳压电源的比较

由上表可见，其优点是较突出的，故现在生产的电器设备中，大部分都采用了开关稳压电源。但由于省略了电源变压器，整机底板带电，若插头插入电源，使底板一端接通了相线(即“热端”)，底板对地就有220V交流电压，人一旦触及底板，就造成触电事故。所以这类电视机的后罩上都印有警告字句或警告记号。因此，若需拆开后盖板测量和修理时，应在交流电源与电器之间，加接1：1的隔离变压器。

七、电路方案的选择
7.1整流电路方案的选用
方案一：半波整流
7.1.1电路的组成

图7-1电路组成及波形
单相板波整流电路是最简单的一种整流电路，有二极管的单向导电性可知，经过一个二极管以后完整的正弦波被过滤掉一半，如图7-1所示。
7.1.2参数分析
对于整流电路我们应该考虑的三个重要指标是整流电路输出电压平均值、输出电流平均值和脉动系数。
输出电压平均值：
解得：
负载电流的平均值：
脉动系数S: S==
根据以上参数的要求且考虑电网电压的波动，二极管的选择应满足：

方案二：全波整流
全波整流电路中采用最常用的桥式整流电路,如下图7-2和图7-3所示：
7.1.3电路的组成

图7-2. 桥式整流电路图

图7-3. 桥式整流波形图

7.1.4参数分析
输出电压平均值：
输出电流平均值：
脉动系数：S=
根据以上参数的要求且考虑电网电压的波动，二极管的选择应满足：

单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二级管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动系数小等优点，因此得到相当广泛的应用。本设计采用单相桥式整流电路。
7.2 滤波电路方案论证
方案一电容滤波
7.2.1电容滤波电路如图7-4

图7-4A、电路原理图

图7-4B、波形图
输出电压平均值：
脉动系数：
根据以上参数的要求且考虑电网电压的波动，电容的选择应满足：
方案二：电感滤波
7.2.2电感滤波电路电路原理图如图7-5A，波形图如图7-5B。

图7-5A、电路原理图

图7-5B、波形图

输出电压平均值：
在这里虽然电感滤波电路中二极管的导通角比电容滤波电路中二极管的导通角大，但因电感没有现成的需要自己缠制，所以制作麻烦且体积较大，所以在这里我选择电容滤波电路进行滤波。
7.3． MC34063 DC/DC变换器控制电路简介
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。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。 
7.3.1、MC34063特点及内部功能框图如图7-6所示
1、功能特点说明：
*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

图7-6、MC34063内部框图

2、MC34063的引脚图功能说明：
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100—100kHz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。
3、MC34063组成的电路工作过程：
（本设计主要应用降压工作原理 ）
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Uo=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压 。仅与R1、R2数值有关，因1．25V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1．25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(1．25V)时，比较器输出为跳变电压，开启R—S触发器的S脚控制门，R—S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(1．25V)时，R—S触发器的S脚控制门被封锁，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R—S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。 MC34063 升压电路原理是,当芯片内开关管(T1)导通时，电源经取样电阻Rsc、电感L1、MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L1开始存储能量，而由C0对负载提供能量。当T1断开时，电源和电感同时给负载和电容Co提供能量。电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。
八、 MC34063应用电路图设计：
8.1．整体方案设计如图8-1

图8-1.开关电源电路图

8.2电路原理说明：
交流电源经电桥作全波整流，之后经电容C1进行滤波，得到一个固定值的直流电压，经含有MC34036芯片的DC/DC变换电路使刚才不变的直流电压变成可变的直流电压。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Uo=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压 。仅与R1、R2数值有关，因1．25V为基准电压，恒定不变。若R1、R2阻值稳定，U。亦稳定。 脚5电压与内部基准电压1．25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(1．25V)时，比较器输出为跳变电压，开启R—S触发器的S脚控制门，R—S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。 当脚5的电压值高于内部基准电压(1．25V)时，R—S触发器的S脚控制门被封锁，Q端为“0”状态(低电平)，T2截止，T1亦截止。 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R—S触发器的Q端。 脚3外接振荡器所需要的定时电容C3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。（可调节电位器RV2来改变电压的高低。）
九、电源的PCB板的制作
电源的PCB板是采用Protel软件绘制的双面板。元件封装形式如下表9-1：
表9-1

元件
封装
元件
封装
电阻
AXIAL0.4
电解电容
RB.2/.4
瓷片电容
RAD0.1
二极管
DIODE0.4
三极管、
TO-92A

PCB板图如图9-1

图9-1

十、方案验证
10．1、经protues仿真电路验证输出电压的可调范围为：
1、输出电压的最小值：
输出电压的最小值为：2.20V
2输出电压的最大值：
输出电压的最大值为：19.9V
10．2、实际电路检验
经过实际电路的调试的最小电压2.3V，最小电压19.5V，并且经过改变输入电压的幅值时输出电压稳定，说明输出电压抗输入电压波动能力强，当改变输出端负载时输出电压稳定，说明输出电压抗负载能力强。
10．3．测试数据
1、输出电压抗输入电压波动
选择一个固定的输出电压值如5V，改变输入电压测试结果如下表10-1所示：
表10-1
输入电压/v
输出电压/v
8.12
5
16.28
5
27.4
5

2、输出电压抗负载能力（表10-2）

表10-2

负载电阻/Ω
输出电压/v
1
5
150
5
1000
5

3、电源的效率
表10-3
负载阻值/Ω
输入电压/V
输入电流/mA
输出电压/V
输出电流/mA
效率大小/％
220
7.15
32.8
5.02
22.3
47.73
987
7.16
9.21
4.99
5.0
37.83
4700
7.16
5.9
5.00
1.31
15.51

10.4 结论
经过一段时间的工作，得出该电源运行稳定，达到各个指标要求。
致谢
经过这次电路的设计。我感觉到团队的力量，共同探讨，最终完成开关电源的设计任务。大学三年的时间转瞬即逝，在此期间，我收获了知识，受到校园文化的熏陶，为我走向社会奠定了一定的基础。感谢母校给了我一个在大学深造的机会，而且还提供了舒适的学习环境，感谢老师们在学习，思想上的谆谆教诲，同学们在学习上的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。我忽然间才意识到，原来三年已经过去，到了该告别的时候了。在此我再次真诚的向帮助过我的老师和同学表示感谢。

参 考 文 献
[1] 周志敏.电工手册:机械工业出版社,2000
[2] 陈兆仁. 常用电子元件手册:机械工业出版社,2002
[3] 阎石. 数字电子技术基础:高等教育出版社,2001
[4] 王毓银. 脉冲与数字电子技术:高等教育出版社,1999
[5] 康华光. 电子技术之数字部分:高等教育出版社,2000
[6] 康华光. 电子技术之模拟部分:高等教育出版社,2000
[7] 段九州. 电源电路实用设计手册:辽宁科学技术出版社,2002
[8] 吴润宇，苗银梅，周功楷. 实用稳定电源:人民邮电出版社,1994
[9] 陈炜，钟实，洪明，隋元. 精选家用电子制作电路300例:人民邮电出版社,1998
[10] 谢沅清. 电源电路:电子工业出版社,1995
[11] 沈长生. 常用电子元件实用一读通:人民邮电出版社,2002

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