基于MC34063的BOOST電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張德樹 ，宮 強(qiáng)，吳乃海

（1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 滁州 239000；2.滁州市第六中學(xué)，安徽 滁州239000）

在太陽能路燈、電視機(jī)和電動(dòng)汽車等設(shè)備，以及人們最常用的手機(jī)和太陽能供電的行車紀(jì)錄儀等便攜式電器中，需要對電能進(jìn)行變換的電路有AC變換成DC，也有DC變換成AC.如手機(jī)等便攜裝置中，最常用的是DC-DC變換電路，這種將恒定的直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電的電路叫斬波電路.

基于MC34063芯片，設(shè)計(jì)了一種用于升壓斬波電路，該設(shè)計(jì)具有外圍電路簡單、電路可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)? V直流變換為約12 V穩(wěn)定直流輸出.

1 BOOST電路簡介

1.1 斬波電路的種類

直流斬波電路的6種基本斬波電路分別為：降壓斬波電路(Buck變換器)、升壓斬波電路(Boost變換器)、降升壓斬波電路(Buck-Boost變換器)、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路.

1.2 升壓斬波電路（Boost變換器）

本次電路設(shè)計(jì)使用的是Boost變換器，其基本工作原理圖如圖1.L是儲能電感，其電感量很大.V是開關(guān)元件絕緣柵雙極型晶體管(簡稱IGBT),C是保持輸出電壓穩(wěn)定的電容，R為負(fù)載.

圖1 Boost斬波電路原理圖

1.3 Boost變換器的工作原理

當(dāng)V的控制極柵極電流IG為正(流入G極)時(shí)：V處于通態(tài)，電源E向電感L充能，電感L兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，電流I1流入一極為正極，流出一極為負(fù)極.感應(yīng)電動(dòng)勢大小約為電源電壓E.由于電感很大，充電電流基本恒定I1.此時(shí)二極管VD截止，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo基本恒定.

設(shè)一個(gè)周期中，V的導(dǎo)通時(shí)間為Ton，此階段電感L上積蓄的能量為:E·I1·Ton.

當(dāng)V的控制極柵極電流IG為負(fù)（流出G極）或?yàn)?時(shí)：V處于斷態(tài),由于此時(shí)電感L在釋放能量，兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，電流I1流出一極為正極，流入一極為負(fù)極.此時(shí)二極管VD導(dǎo)通，電源E和電感L兩端感應(yīng)電動(dòng)勢相加向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量.如果電容C的容值足夠大，且對V的控制信號的頻率足夠高，電容C對輸出電壓具有平波作用，輸出電壓Uo基本恒定［1］.

設(shè)一個(gè)周期中，V的導(dǎo)通關(guān)斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L在釋放能量，所釋放的能量表示為(UO-E)·

電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L吸收的能量與釋放的能量相等，即：

控制電流IG與電容充電電流IO的關(guān)系見圖2.

2 基于MC34063的電路設(shè)計(jì)

圖2 IG與IO的關(guān)系圖

MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于DC-DC變換器控制部分.MC34063芯片是DC-DC開關(guān)電源穩(wěn)壓器，具有低功耗、高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)［2］.它是一單片雙極型線性集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)DCDC變換器所需的主要功能.片內(nèi)包含1.25 V溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、振蕩器、驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)晶體管、邏輯控制線路等［3］.該芯片可在外圍元器件較少的情況下用于升壓、降壓和倒相應(yīng)用設(shè)計(jì)［4］.

MC34063芯片輸入電壓范圍為3～40 V，輸出電壓范圍為1.25～40 V，具有短路電流限制、低靜態(tài)電流、輸出電壓可調(diào)、工作振蕩頻率為102～105Hz等特點(diǎn)［5］.MC34063芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示.

2.1 MC34063芯片工作原理

MC34063的3腳接定時(shí)電容；調(diào)節(jié)外接的定時(shí)電容，可使內(nèi)部振蕩器的工作頻率在102～105Hz范圍內(nèi)變化；內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的矩形信號通過內(nèi)部的RS觸發(fā)器控制開關(guān)管Q1的通斷，開關(guān)管Q1相當(dāng)于圖1中的V1.

MC34063內(nèi)部還有一個(gè)比較器，比較器的同相輸入由MC34063內(nèi)部的1.25 V基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路提供的1.25V電壓，比較器的反相輸入端接外接第5腳.

當(dāng)MC34063的5腳輸入電壓大于1.25 V，比較器輸出為低電平，使與門輸出為低電平信號：若振蕩器輸出低電平信號，送給與門和RS觸發(fā)器后，使觸發(fā)器的Q端輸出低電平信號，使三極管Q1和Q2關(guān)斷，切斷了MC34063的1腳和2腳；若振蕩器輸出高電平信號，送給與門和RS觸發(fā)器后，使觸發(fā)器的Q端輸出保持原信號.

當(dāng)MC34063的5腳輸入電壓小于1.25 V，比較器輸出為高電平信號，此高電平送給與門：若振蕩器輸出低電平信號，送給與門和RS觸發(fā)器后，使觸發(fā)器的Q端輸出低電平信號，使三極管Q1和Q2關(guān)斷，切斷了MC34063的1腳和2腳；若振蕩器輸出高電平信號，送給與門和RS觸發(fā)器后，使觸發(fā)器的Q端輸出高電平信號.

圖3 MC34063芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)電路

結(jié)合MC34063芯片的工作原理，設(shè)計(jì)以MC34063為核心的BOOST電路，該BOOST電路芯片內(nèi)、外部之間關(guān)系如圖4.

圖4 MC34063內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部元件的關(guān)系圖

2.2.2 原理簡析

電路通電后，輸入的+5 V直流電壓通過MC34063芯片6腳向芯片供電，使內(nèi)部的1.25 V基準(zhǔn)電壓電路產(chǎn)生1.25 V電壓送給比較器.同時(shí)，在MC34063芯片3腳電容的控制下，內(nèi)部振蕩器開始振蕩產(chǎn)生矩形波信號送給與門和RS觸發(fā)器.

由MC34063芯片工作原理可知，由比較器的輸出信號和振蕩器的輸出信號的控制，可使Q1管處于飽和導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài).

當(dāng)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)：

當(dāng)芯片內(nèi)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入+5 V直流電源電壓經(jīng)取樣電阻R1、電感L1、MC34063的1腳和2腳和Q1的C極和E極（此時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合）接地，二極管VD截止，此時(shí)電源開始向電感L1存儲能量（電感L1上感應(yīng)電動(dòng)勢極性是左正右負(fù)）.而在輸出端，電容C4對負(fù)載提供能量.

當(dāng)芯片內(nèi)開關(guān)管Q1斷開時(shí)，電感L1上感應(yīng)電動(dòng)勢極性是左負(fù)右正，電源電壓和電感電動(dòng)勢是串聯(lián)相加關(guān)系，并同時(shí)向負(fù)載和電容C4提供能量.負(fù)載上得到的電壓是電源電壓和電感電動(dòng)勢是串聯(lián)相加的量，高于電源電壓.所以BOOST電路的升壓原因是由于儲能電感的儲能作用使輸出電壓得到泵升的效果.

腳3外接定時(shí)電容C2影響內(nèi)部振蕩器輸出信號的頻率，由于內(nèi)部振蕩器輸出信號控制著開關(guān)管Q1的通斷.由此可知電容C2也影響和控制著Q1的周期和頻率.如果輸出電容C2容值足夠大，內(nèi)部振蕩器輸出信號頻率足夠高，開關(guān)管Q1的通斷速度也足夠高，則負(fù)載上便可獲得脈動(dòng)性很小的且連續(xù)的直流電壓.

MC34063芯片的7腳是負(fù)載峰值電流（Ipk）取樣端，用于監(jiān)視開關(guān)管Q1的峰值電流.當(dāng)MC34063芯片的6腳（電源輸入）和7腳間電壓超過300 mV時(shí)，MC34063芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過流保護(hù)功能，使內(nèi)部振蕩器輸出至與門和RS觸發(fā)器高電平時(shí)間變小.控制開關(guān)管Q1的導(dǎo)通時(shí)間，使IN端電源向儲能電感儲存的能量變小.

由圖4可知，比較器的反相輸入端(芯片5腳)的電壓與輸出電壓的關(guān)系是U_=Uo［R4/(R3+R4)］,即芯片5腳U_是由輸出電壓Uo通過電阻R3、R4分壓取樣而得，此電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1.25 V同時(shí)送入比較器進(jìn)行電壓比較.

當(dāng)比較器的U_低于基準(zhǔn)電壓1.25 V時(shí)：比較器輸出為高電平電壓，開啟RS觸發(fā)器的S腳控制門，RS觸發(fā)器在內(nèi)部振蕩器的驅(qū)動(dòng)下，觸發(fā)器Q端為高電平狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)管Q2導(dǎo)通，開關(guān)管Q1亦導(dǎo)通，使輸入電源電壓向電感L1存儲更多的能量，從而向輸出濾波器電容C4充電以提高Uo，進(jìn)而提高比較器的U_端電壓.達(dá)到自動(dòng)控制輸出電壓穩(wěn)定的作用.

當(dāng)比較器的U_高于基準(zhǔn)電壓1.25 V時(shí)：比較器輸出為低電平電壓，RS觸發(fā)器的S腳控制門被封鎖，觸發(fā)器Q端為低電平狀態(tài)，Q2截止，Q1亦截止，從而減少輸入電源電壓向電感L1存儲的能量，向電容C4充電時(shí)的能量變小，使Uo減小，從而降低了比較器的U_端電壓，達(dá)到自動(dòng)控制輸出電壓穩(wěn)定的作用.

由于芯片內(nèi)部的比較器由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，根據(jù)集成運(yùn)算放大器“虛短”的特點(diǎn)可知：比較器的反相輸入端U_≈1.25 V=Uo［R4/(R3+R4)］，所以輸出電壓Uo=1.25(1+R3/R4)由公式可得輸出電壓.由于1.25 V為基準(zhǔn)電壓，所以只要控制R3、R4阻值，即可控制輸出電壓，若R3、R4阻值穩(wěn)定，Uo亦穩(wěn)定.

3 結(jié)論

根據(jù)BOOST電路中MC34063內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部元件的關(guān)系，繪制設(shè)計(jì)的BOOST電路原理圖如圖5.

圖5 升壓斬波電路原理圖

根據(jù)電路的參數(shù)計(jì)算公式，該電路中，R4=1.2 KΩ，R3=10 KΩ，由Uo=1.25(1+R3/R4)可知，Uo≈11.67 V.經(jīng)過電路組裝與測試，本電路參數(shù)正確.