基于MC34063的大電流負(fù)電源設(shè)計(jì)

　　在干涉型光纖傳感器研制中，相位載波(PGC)調(diào)制解調(diào)是較為常用的信號(hào)檢測(cè)方案，由濾波電路、模擬乘法器、D/A轉(zhuǎn)換電路、微分電路、積分電路等部分組成，需要采用雙電源供電且對(duì)電源功率要求較大。如用線性電源方案為系統(tǒng)供電，要經(jīng)過降壓、整流、濾波產(chǎn)生正負(fù)2種直流電壓，再用穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，不但效率低，而且濾波電容、散熱片會(huì)增加電源部分體積，不適合電路小型化的要求。而用開關(guān)電源方案供電時(shí)，只需要1套經(jīng)變壓器降壓整流后的直流電壓，就可以設(shè)計(jì)出各種輸出電壓的穩(wěn)壓電源，且電源功率密度高、發(fā)熱量小[1]。

　　在開關(guān)電源管理芯片中，輸出為正電源的器件種類較多，電路易于設(shè)計(jì)，而輸出為負(fù)電源的且輸出電流達(dá)到1 A的電源電路則較難設(shè)計(jì)。本文采用MC34063設(shè)計(jì)負(fù)電源電路，NTB2506做外接功率管，并優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)波形，以此提高電源輸出電流的能力。

1 MC34063內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路工作原理
　　MC34063內(nèi)部原理框圖如圖1所示，是一種單片雙極性集成電路，具有DC/DC變換器所需要的主要功能，由基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)管等部分組成。

　　MC34063電路控制方式是它激式，內(nèi)部有1個(gè)振蕩器，通過外接電容，產(chǎn)生一定頻率的開關(guān)脈沖信號(hào)，以控制開關(guān)管的斷通，使輸出端有穩(wěn)定直流電壓輸出，開關(guān)頻率由外接電容決定。MC34063可以根據(jù)實(shí)際需要，完成各種電壓變換功能。
　　穩(wěn)壓電路工作原理如下：當(dāng)輸出電壓低于設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，反饋端輸入電壓小于內(nèi)部基準(zhǔn)電源1.25 V，誤差比較器輸出高電平，打開“與門”，振蕩器的振蕩脈沖加在RS觸發(fā)器的R端，使輸出端Q為高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，輸入電壓向?yàn)V波電容充電，使輸出電壓升高，直到反饋電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電源1.25 V時(shí)，電路達(dá)到平衡狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的值；反之，當(dāng)輸出電壓高于設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，開關(guān)管截止，電容放電，輸出電壓減小，最終穩(wěn)定在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的值，從而達(dá)到了穩(wěn)壓的目的[2]。
2 MC34063設(shè)計(jì)負(fù)電源變換電路
　　MC34063開關(guān)電源控制器是一種單端輸出式直流變換器， 它不僅可以設(shè)計(jì)升壓和降壓電路，而且還可以完成電壓反相功能[3]。在設(shè)計(jì)電壓反相的負(fù)電源電路時(shí)，由于受芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的影響，流過開關(guān)管的電流是梯形波，效率偏低，使得輸出電流超過200 mA時(shí)，電源系統(tǒng)就不穩(wěn)定，輸出紋波電壓增大，不能滿足在負(fù)載要求較大的情況下運(yùn)行，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍[4]。
　　采用MC34063設(shè)計(jì)的帶電流擴(kuò)充的負(fù)電源電路如圖2所示。外接開關(guān)管的選用對(duì)電路性能影響很大，直接決定了電路輸出電流的大小和效率的高低。用三極管做外接開關(guān)管，可以和內(nèi)部功率管接成達(dá)林頓形式和非達(dá)林頓形式兩種電路。采用非達(dá)林頓電路時(shí)，在開關(guān)過程中，三極管的基極存儲(chǔ)電荷，會(huì)導(dǎo)致管子達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到深度飽和時(shí)，就會(huì)影響開關(guān)頻率，限制了其應(yīng)用范圍。采用達(dá)林頓電路時(shí)，雖然不會(huì)出現(xiàn)電荷飽和現(xiàn)象，但是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)壓降增加，功耗明顯變大，三極管發(fā)熱嚴(yán)重，輸出電流增加有限。采用功率MOSFET做外接開關(guān)管時(shí)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。它是多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型電壓控制性器件，不存在電荷存儲(chǔ)問題，且開關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和無二次擊穿問題等特點(diǎn)[5]。NTB2506是工作在低壓環(huán)境下，具有高速開關(guān)特性的P溝道功率MOSFET，開關(guān)特性好、損耗小，它的漏極和源極耐壓為60 V，柵極和源極電壓可以達(dá)到20 V，連續(xù)工作電流可達(dá)27.5 A。故本文選用NTB2506做外接開關(guān)管與MC34063內(nèi)部的功率管并接成非達(dá)林頓形式的電路結(jié)構(gòu)。

　　功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)波形對(duì)電源的效率有著重要影響，若R5和R6值選擇不當(dāng)，會(huì)使電源效率偏低，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，輸出電流減小。功率MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流波形，最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流大小[6]。電阻R5加在柵極和源極之間，主要作用是通過電阻對(duì)功率MOSFET柵-源之間的等效電容進(jìn)行充電，改善驅(qū)動(dòng)電壓的波形，保證開通信號(hào)具有良好的前沿陡度。如果R5的值過大，漏極與源極之間電壓的突變，會(huì)通過極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)高的柵-源尖峰電壓，其電壓輕則會(huì)使功率MOSFET嚴(yán)重發(fā)熱，重則會(huì)使柵-源氧化層擊穿，造成管子永久性損壞。電阻R6為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，用以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小和驅(qū)動(dòng)電壓的波形。功率MOSFET開通時(shí)，以低電阻對(duì)柵極電容充電；關(guān)斷時(shí)，為柵極電荷提供放電回路，以提高功率MOSFET開關(guān)速度。電阻的具體數(shù)值需要在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下通過試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，使得柵極驅(qū)動(dòng)效果最好，一般情況下，電阻值不能太大。另外，電路帶有感性負(fù)載，當(dāng)器件在開關(guān)過程中，漏極電流的突變會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，可能會(huì)導(dǎo)致器件的擊穿，開關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的過壓越大。本文采用2種方法來消除漏極尖峰電壓：一是利用二極管D在NTB2506開關(guān)過程中給電流提供放電回路；二是利用電阻R4和電容C4構(gòu)成RC吸收電路，吸收NTB2506漏-源兩極間的瞬時(shí)電壓尖峰，這樣可以基本消除尖峰電壓，很好地保護(hù)了功率MOSFET。
　　MC34063內(nèi)部的誤差放大器采用的是開環(huán)控制，占空比不能鎖定，這給電感電容等參數(shù)的選擇帶來了困難，按照芯片說明書計(jì)算出的電感電容等值往往偏小，實(shí)際使用時(shí)一般是計(jì)算值的2～3倍。電容C3加在取樣電阻兩端，以穩(wěn)定反饋電壓的輸入，改善瞬態(tài)響應(yīng)波形。續(xù)流二極管選擇正向?qū)妷盒?、恢?fù)時(shí)間快的肖特基二極管，并且要注意耐壓值和承受電流的能力。電感要選擇線圈粗、承受電流大、自身電阻小的，使其發(fā)熱量小，穩(wěn)定性好。濾波電容除了需要電解電容外，一般還要選擇等效串聯(lián)電阻小的高頻陶瓷電容，以減小電源的紋波電壓。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　在電源電路中，開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率高，環(huán)路電流大，在設(shè)計(jì)PCB元件布局時(shí)應(yīng)使其面積最小，布線時(shí)應(yīng)使相關(guān)的線路要寬。為了減小電源的電磁干擾和改善散熱系統(tǒng)，采用鍍鋅鋼板將整個(gè)電源部分封閉起來，將功率管NTB2506的漏極涂上導(dǎo)熱膠，使其和鋼板緊密接觸來增加散熱面積，降低管子溫度。
　　 電路測(cè)試中采用的輸入直流電壓為18 V，輸出電壓為-12 V，元件參數(shù)見圖2，測(cè)試不外接功率管和外接功率管分別為雙極型晶體管TIP127和功率MOSFET NTB2506以及改變NTB2506柵極和源極之間電阻的條件下輸出電壓。輸出紋波電壓和電源效率的數(shù)據(jù)如表1所示，表中未填的部分表示輸出電壓已明顯偏離-12 V。

　　由表1可以看出：
　　(1)不外接功率管時(shí)，電源輸出電流較小，外接功率管可以明顯增加電源帶負(fù)載的能力。
　　(2)外接雙極型晶體管TIP127時(shí)比功率MOSFET NTB2506效率低，帶負(fù)載能力差。
　　(3)NTB2506柵極和源極之間的電阻對(duì)電源的效率和帶負(fù)載能力有很大影響，因此，選擇合適的柵-源之間的電阻可以顯著改善電源的性能。
　　功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電阻的改變，對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響如圖3所示。其中，圖3(a)驅(qū)動(dòng)電阻為100 Ω，圖3(b)為500 Ω，圖3(c)為5 kΩ，且圖3(c)輸出電流已經(jīng)達(dá)不到1 A。從3幅圖的比較可以得出，柵極驅(qū)動(dòng)波形隨著驅(qū)動(dòng)電阻的改變而改變，因此，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻可以明顯改善驅(qū)動(dòng)波形，減小功率MOSFET的損耗，提高效率。

本文采用MC34063和NTB2506設(shè)計(jì)的負(fù)電源電路，具有輸出電流大、成本低、效率較高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行表明，在大電流輸出時(shí)，供電電壓穩(wěn)定，芯片溫度不高，紋波電壓在可以接受的范圍內(nèi)，特別適用于對(duì)負(fù)電源功率要求較大、體積要求較小的系統(tǒng)中。