基于MC34063 的直流穩(wěn)壓可調(diào)電源設(shè)計

周碧英

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院， 陜西 渭南714000）

各種電子設(shè)備的大量應(yīng)用給人們的生產(chǎn)和生活帶來的極大便利，但是各種電子設(shè)備都必須依賴穩(wěn)定的電源。 電源是各種電子裝置的工作基礎(chǔ)，其性能直接影響到系統(tǒng)與設(shè)備的工作質(zhì)量和效率，在電子電路中通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電[1－3]，直流穩(wěn)壓電源是一種性能接近理想電壓源的直流電源。 小到袖珍計算器，大到超級計算機，所有的電子設(shè)備都必須在穩(wěn)壓電源的支持下才能正常工作。 電子設(shè)備對電源的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、 滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源以其廣泛的應(yīng)用場合及其簡單便攜的優(yōu)點得到青睞，如何提高直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓性能及電源效率是電源技術(shù)研究要解決的首要問題。

1 幾種系統(tǒng)設(shè)計方案的比較

針對某實驗室場合的需求， 穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計要求為：輸入電壓為6～9 V；輸出電壓在9～17 V 內(nèi)連續(xù)可調(diào)；最大輸出電流為1 A；電壓調(diào)整率小于1%；波紋電壓小于0.5%。

方案1：采用線性集成穩(wěn)壓芯片LM317 設(shè)計。 LM317 作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓模塊， 是一種使用較為方便、應(yīng)用較多的集成穩(wěn)壓模塊，具有輸出電壓范圍廣、外圍電路簡單的優(yōu)點。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，。輸出電壓的設(shè)定是通過改變R2與R1的比值來調(diào)節(jié)的， 為了電路的穩(wěn)定工作，還需要接二極管作為保護電路，防止電路中的電容放電時出現(xiàn)的高壓損壞現(xiàn)象。 但LM317 功耗比較大，長時間工作芯片發(fā)熱量大， 需借助較大的散熱片才可穩(wěn)定工作。由于LM317 芯片為線性穩(wěn)壓芯片， 采用LM317 設(shè)計的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的電源效率較低， 不符合能源節(jié)約的要求，在電源效率要求比較高的場合難以滿足要求。

方案2：采用單片集成穩(wěn)壓芯片LM2576 設(shè)計。 單片集成電路LM2576 提供了降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的基本功能?？稍?.23～37 V 的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)輸出，最大輸出電流1A。 LM2576 內(nèi)部集成了部頻率補償和固定頻率振蕩器， 外圍電路設(shè)計簡單。 由于LM2576 功耗低，從而大大減少了散熱片大小。 但在使用時受到局部條件限制，如需要旁路電容防止輸入端出現(xiàn)瞬時過電壓；二極管的選擇上需要開關(guān)速度快、正向壓降低、反向恢復(fù)時間短的肖特基二極管；要求有高的通流量和對應(yīng)的電感值；需要等效串連電阻低的電容防止器件損壞，提高環(huán)路的穩(wěn)定性。

方案3： 采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片MC34063 設(shè)計。MC34063 是一單片開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路， 專用于DC/DC 變換器控制部分，電路簡單且效率較高能滿足一般要求。 器件具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器， 靜態(tài)電流低，對短路電流能進行限制， 工作振蕩頻率從100 Hz 到100 kHz?？梢酝饨尤龢O管、MOS 管等器件來提高輸出功率， 輸入輸出電壓在40 V 以下時能安全穩(wěn)定工作。 圖1 為MC34063 引腳電路。

圖1 MC34063 引腳電路Fig. 1 MC34063 pin circuit

圖中①為開關(guān)管集電極口，②為開關(guān)管發(fā)射極，③為定時電容，④為地，⑤為比較器反向，⑥為v+，⑦為電流檢測，⑧驅(qū)動管集電極。

采用MC34063 設(shè)計直流可調(diào)穩(wěn)壓電源具有成本低、電路簡單、電源效率高等諸多優(yōu)點[4]，該器件可作為升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心。

2 應(yīng)用電路分析

斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源]按其拓撲結(jié)構(gòu)通?？梢苑譃? 種：降壓型（Buck）、升壓型（Boost）、升降壓型（Buck-boost）。 升壓型（Boost）典型電路如圖2 所示。

圖2 升壓電路Fig. 2 Boost circuit

當開關(guān)T 導(dǎo)通時，二極管承受反壓截止，能量從直流電源輸入并儲存到電感L 中，電感電流線性增長；當開關(guān)T 關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流減小。 控制開關(guān)管T 的開關(guān)頻率，就能控制電感的電量，從而穩(wěn)定電容兩端的壓降，持續(xù)不斷的打開和關(guān)閉開關(guān)管就能使得電容兩端有一個持續(xù)的穩(wěn)定的高于輸入電壓的一個壓降。

在鑒于直流可調(diào)穩(wěn)壓電源輸出電壓范圍較廣，輸出電壓值較高，該直流可調(diào)穩(wěn)壓電源采用升壓電路設(shè)計以滿足在較低的輸入電壓下有較高的輸出電壓范圍[5-6]。

圖3 為MC34063 集成開關(guān)穩(wěn)壓芯片典型升壓應(yīng)用電路。應(yīng)用電路輸出電壓固定為15 V，為滿足設(shè)計要求需要在此電路的基礎(chǔ)上進行電路的修改與完善，通過對電路的分析得到以下結(jié)論：

1） 其輸出電壓值是通過改變R4和R5電阻值來調(diào)整的，其輸出電壓符合以下的公式：

2）電路中限流電阻取值為0.3 Ω，因此輸入電流限制公式為：

3）MC34063 在不加三極管擴展電流的情況下其輸出最大電流值為1.5 A， 增加三極管可以使MC34063 的輸出電流得到很大提高。

圖3 MC34063 集成開關(guān)穩(wěn)壓芯片升壓應(yīng)用電路Fig. 3 MC34063 integrated switching regulator chip boost applications circuit

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

鑒于以上分析，對圖3 進行電路設(shè)計和完善，開關(guān)SW2調(diào)控輸入電壓， 保證輸入一個持續(xù)穩(wěn)定的一個直流電壓，二極管1N4007 整流，電解電容C3、C4實現(xiàn)輸出電壓的濾波用來保證輸出電壓有較小的紋波輸出。 LED 燈為輸出電壓的指示，電阻R1用來限流以保證LED 燈的工作電流，電位器RP1用來調(diào)整輸出電壓值，電阻R3用來限制最大的輸出電流值，系統(tǒng)硬件電路如圖4 所示。

振蕩電路： 振蕩器是通過恒流電源對外接在CT 管腳上的定時電容不斷地充電與放電以產(chǎn)生振蕩波形。 充電和放電的電流都是恒定的，振蕩頻率僅僅取決于外接定時電容。

濾波電路：濾波電路通常是由具有儲能特性的電容、電感及其他元件組成， 它能將脈動直流電流中的脈動交流成分濾除掉，從而使輸出的電壓變?yōu)楸容^平滑的直流電壓。 但是，當電網(wǎng)的電壓或負載以及溫度發(fā)生變化時，濾波器輸出的直流電壓的值也會隨之變化，因此，此時的直流電壓并不穩(wěn)定。

穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路是利用能夠自動調(diào)整輸出電壓變化的電路來使輸出的電壓不隨電網(wǎng)電壓、溫度或負載的變化而變化，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 一般穩(wěn)壓電路分為并聯(lián)型、串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。 本次所用的為固定集成穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器本身不能產(chǎn)生功率，而是將輸入端功率取出傳送給負載，通過控制該功率的大小使輸出電壓不變。

輸出電壓電路：輸出電壓電路是采用改變LED 的亮度來實現(xiàn)， 在輸出電壓連續(xù)可調(diào)的過程中，LED 的亮度會跟隨輸出電壓的變化而變化，輸出電壓增大LED 亮度則變亮，輸出電壓減小LED 亮度則變暗。

限流電阻Rsc為：

電感Lmin為：

決定輸出電壓波紋系數(shù)的濾波電容為：

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序設(shè)計主要包括了A/D 及D/A 轉(zhuǎn)換模塊、誤差處理模塊等。 為了提高精度，針對外接負載變化引起的輸出電壓偏移現(xiàn)象，通過偏移反饋予以消除。 通過改變數(shù)字電位計阻值來調(diào)整輸出電壓，滿足誤差小于0.03 V 的條件，其程序流程如圖6 所示。

圖5 程序流程Fig. 5 Program flow

通過軟件來調(diào)節(jié)輸出電壓在很大程度上的節(jié)約了系統(tǒng)硬件資源，可以達到很高的精度。

5 結(jié)果測試及分析

將直流穩(wěn)壓可調(diào)電源裝置接到6 V 到9 V 的直流電源上，通過調(diào)節(jié)電位器來改變輸出電壓，觀察負載LED 指示燈的明暗亮度，通過測量電壓表驗證輸出的電壓范圍是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，表1 為直流穩(wěn)壓可調(diào)電源裝置在輸入電壓為6 V，負載為10 Ω 時的測試數(shù)據(jù)。

表1 直流穩(wěn)壓可調(diào)電源測試數(shù)據(jù)Tab. 1 Adjustable DC power supply unit test data

從測量數(shù)據(jù)來看，所提出的直流穩(wěn)壓可調(diào)電源實現(xiàn)了設(shè)計設(shè)計的要求，輸出電壓可在9～17 V 之間連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出最大電流為1.1 A，輸出最大功率為21.87 W，輸出效率在85%以上。

6 結(jié)束語

設(shè)計的過程中考慮到了用電過程中交直流轉(zhuǎn)換情況和電壓大小情況，根據(jù)具體情況實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。 在完備可靠的硬件資源的基礎(chǔ)上，充分利用MC34063 的可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓以及高精度功能； 設(shè)計系統(tǒng)同時還中融入了LED 顯示，給使用者帶來了極大的方便。 通過實驗測量，表明可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源具有工作穩(wěn)定、精度高、可控性、性價比高等優(yōu)勢，解決了小型電子設(shè)備的直流用電需求。

[1] 周園，譚功全. 數(shù)字可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2013，21（11）:120-122.

[2] 張洪潤. 電子線路與電子技術(shù)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 謝自美. 電子線路設(shè)計、實驗與測試[M]. 武漢:華中科技大學(xué)出版社，2008.

[4] 黃毅良，屈國普，胡創(chuàng)業(yè). 數(shù)字可調(diào)式高壓直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J]. 南華大學(xué)學(xué)報，2005，19（9）:63-66.

[5] 黃兆林，吳文彤，景曉軍，等. 精密數(shù)控直流電源設(shè)計[J].工礦自動化，2011（8）:134-136.

[6] 張洪潤. 電子線路與電子技術(shù)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2010.