基于MC34063的大電流負電源設計

　　在干涉型光纖傳感器研制中，相位載波(PGC)調制解調是較為常用的信號檢測方案，由濾波電路、模擬乘法器、D/A轉換電路、微分電路、積分電路等部分組成，需要采用雙電源供電且對電源功率要求較大。如用線(xiàn)性電源方案為系統供電，要經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波產(chǎn)生正負2種直流電壓，再用穩壓芯片進(jìn)行穩壓，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(kāi)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，就可以設計出各種輸出電壓的穩壓電源，且電源功率密度高、發(fā)熱量小[1]。

　　在開(kāi)關(guān)電源管理芯片中，輸出為正電源的器件種類(lèi)較多，電路易于設計，而輸出為負電源的且輸出電流達到1 A的電源電路則較難設計。本文采用MC34063設計負電源電路，NTB2506做外接功率管，并優(yōu)化柵極驅動(dòng)波形，以此提高電源輸出電流的能力。

1 MC34063內部結構和電路工作原理
　　MC34063內部原理框圖如圖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(kāi)關(guān)管等部分組成。

　　MC34063電路控制方式是它激式，內部有1個(gè)振蕩器，通過(guò)外接電容，產(chǎn)生一定頻率的開(kāi)關(guān)脈沖信號，以控制開(kāi)關(guān)管的斷通，使輸出端有穩定直流電壓輸出，開(kāi)關(guān)頻率由外接電容決定。MC34063可以根據實(shí)際需要，完成各種電壓變換功能。
　　穩壓電路工作原理如下：當輸出電壓低于設計規定值時(shí)，反饋端輸入電壓小于內部基準電源1.25 V，誤差比較器輸出高電平，打開(kāi)“與門(mén)”，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(kāi)關(guān)管導通，輸入電壓向濾波電容充電，使輸出電壓升高，直到反饋電壓等于內部基準電源1.25 V時(shí)，電路達到平衡狀態(tài)，輸出電壓穩定在設計時(shí)規定的值；反之，當輸出電壓高于設計規定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，電容放電，輸出電壓減小，最終穩定在設計時(shí)規定的值，從而達到了穩壓的目的[2]。
2 MC34063設計負電源變換電路
　　MC34063開(kāi)關(guān)電源控制器是一種單端輸出式直流變換器， 它不僅可以設計升壓和降壓電路，而且還可以完成電壓反相功能[3]。在設計電壓反相的負電源電路時(shí)，由于受芯片內部電路結構的影響，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流是梯形波，效率偏低，使得輸出電流超過(guò)200 mA時(shí)，電源系統就不穩定，輸出紋波電壓增大，不能滿(mǎn)足在負載要求較大的情況下運行，嚴重影響了其應用范圍[4]。
　　采用MC34063設計的帶電流擴充的負電源電路如圖2所示。外接開(kāi)關(guān)管的選用對電路性能影響很大，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(kāi)關(guān)管，可以和內部功率管接成達林頓形式和非達林頓形式兩種電路。采用非達林頓電路時(shí)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，三極管的基極存儲電荷，會(huì )導致管子達到飽和狀態(tài)，當達到深度飽和時(shí)，就會(huì )影響開(kāi)關(guān)頻率，限制了其應用范圍。采用達林頓電路時(shí)，雖然不會(huì )出現電荷飽和現象，但是開(kāi)關(guān)管導通時(shí)壓降增加，功耗明顯變大，三極管發(fā)熱嚴重，輸出電流增加有限。采用功率MOSFET做外接開(kāi)關(guān)管時(shí)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。它是多數載流子導電的單極型電壓控制性器件，不存在電荷存儲問(wèn)題，且開(kāi)關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小和無(wú)二次擊穿問(wèn)題等特點(diǎn)[5]。NTB2506是工作在低壓環(huán)境下，具有高速開(kāi)關(guān)特性的P溝道功率MOSFET，開(kāi)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到20 V，連續工作電流可達27.5 A。故本文選用NTB2506做外接開(kāi)關(guān)管與MC34063內部的功率管并接成非達林頓形式的電路結構。

　　功率MOSFET的柵極驅動(dòng)波形對電源的效率有著(zhù)重要影響，若R5和R6值選擇不當，會(huì )使電源效率偏低，功率管發(fā)熱嚴重，輸出電流減小。功率MOSFET對柵極驅動(dòng)電路的要求主要有：最優(yōu)的驅動(dòng)電壓和電流波形，最優(yōu)的驅動(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(guò)電阻對功率MOSFET柵-源之間的等效電容進(jìn)行充電，改善驅動(dòng)電壓的波形，保證開(kāi)通信號具有良好的前沿陡度。如果R5的值過(guò)大，漏極與源極之間電壓的突變，會(huì )通過(guò)極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當高的柵-源尖峰電壓，其電壓輕則會(huì )使功率MOSFET嚴重發(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為柵極驅動(dòng)電阻，用以調節驅動(dòng)電流的大小和驅動(dòng)電壓的波形。功率MOSFET開(kāi)通時(shí)，以低電阻對柵極電容充電；關(guān)斷時(shí)，為柵極電荷提供放電回路，以提高功率MOSFET開(kāi)關(guān)速度。電阻的具體數值需要在系統運行狀態(tài)下通過(guò)試驗進(jìn)行調試，使得柵極驅動(dòng)效果最好，一般情況下，電阻值不能太大。另外，電路帶有感性負載，當器件在開(kāi)關(guān)過(guò)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 )導致器件的擊穿，開(kāi)關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的過(guò)壓越大。本文采用2種方法來(lái)消除漏極尖峰電壓：一是利用二極管D在NTB2506開(kāi)關(guān)過(guò)程中給電流提供放電回路；二是利用電阻R4和電容C4構成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，很好地保護了功率MOSFET。
　　MC34063內部的誤差放大器采用的是開(kāi)環(huán)控制，占空比不能鎖定，這給電感電容等參數的選擇帶來(lái)了困難，按照芯片說(shuō)明書(shū)計算出的電感電容等值往往偏小，實(shí)際使用時(shí)一般是計算值的2～3倍。電容C3加在取樣電阻兩端，以穩定反饋電壓的輸入，改善瞬態(tài)響應波形。續流二極管選擇正向導通電壓小、恢復時(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(xiàn)圈粗、承受電流大、自身電阻小的，使其發(fā)熱量小，穩定性好。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)驗結果
　　在電源電路中，開(kāi)關(guān)管導通和關(guān)斷的頻率高，環(huán)路電流大，在設計PCB元件布局時(shí)應使其面積最小，布線(xiàn)時(shí)應使相關(guān)的線(xiàn)路要寬。為了減小電源的電磁干擾和改善散熱系統，采用鍍鋅鋼板將整個(gè)電源部分封閉起來(lái)，將功率管NTB2506的漏極涂上導熱膠，使其和鋼板緊密接觸來(lái)增加散熱面積，降低管子溫度。
　　 電路測試中采用的輸入直流電壓為18 V，輸出電壓為-12 V，元件參數見(jiàn)圖2，測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據如表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，帶負載能力差。
　　(3)NTB2506柵極和源極之間的電阻對電源的效率和帶負載能力有很大影響，因此，選擇合適的柵-源之間的電阻可以顯著(zhù)改善電源的性能。
　　功率MOSFET柵極驅動(dòng)電阻的改變，對柵極驅動(dòng)波形的影響如圖3所示。其中，圖3(a)驅動(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)達不到1 A。從3幅圖的比較可以得出，柵極驅動(dòng)波形隨著(zhù)驅動(dòng)電阻的改變而改變，因此，選擇合適的柵極驅動(dòng)電阻可以明顯改善驅動(dòng)波形，減小功率MOSFET的損耗，提高效率。

本文采用MC34063和NTB2506設計的負電源電路，具有輸出電流大、成本低、效率較高的特點(diǎn)。實(shí)驗室長(cháng)時(shí)間運行表明，在大電流輸出時(shí)，供電電壓穩定，芯片溫度不高，紋波電壓在可以接受的范圍內，特別適用于對負電源功率要求較大、體積要求較小的系統中。