基于MC34063的大电流负电源设计

基于MC34063的大电流负电源设计,第1张

  摘要:采用MC34063设计带电流扩充的负电源电路,功率MOS管NTB2506作外接开关管,通过调节功率MOS管的栅极驱动电阻和栅-源之间的电阻,使得栅极有最优驱动电压波形和电流大小,以增加电源的输出功率和效率。实验表明,设计的电源输出电流可达1A,且体积小、效率高。

  在干涉型光纤传感器研制中,相位载波(PGC)调制解调是较为常用的信号检测方案,由滤波电路、模拟乘法器、D/A转换电路、微分电路、积分电路等部分组成,需要采用双电源供电且对电源功率要求较大。如用线性电源方案为系统供电,要经过降压、整流、滤波产生正负2种直流电压,再用稳压芯片进行稳压,不但效率低,而且滤波电容、散热片会增加电源部分体积,不适合电路小型化的要求。而用开关电源方案供电时,只需要1套经变压器降压整流后的直流电压,就可以设计出各种输出电压的稳压电源,且电源功率密度高、发热量小。

  在开关电源管理芯片中,输出为正电源的器件种类较多,电路易于设计,而输出为负电源的且输出电流达到1A的电源电路则较难设计。本文采用MC34063设计负电源电路,NTB2506做外接功率管,并优化栅极驱动波形,以此提高电源输出电流的能力。

  1.MC34063内部结构和电路工作原理

 基于MC34063的大电流负电源设计,基于MC34063的大电流负电源设计,第2张

  图1MC34063原理框图

  MC34063电路控制方式是它激式,内部有1个振荡器,通过外接电容,产生一定频率的开关脉冲信号,以控制开关管的断通,使输出端有稳定直流电压输出,开关频率由外接电容决定。MC34063可以根据实际需要,完成各种电压变换功能。

  稳压电路工作原理如下:当输出电压低于设计规定值时,反馈端输入电压小于内部基准电源1.25V,误差比较器输出高电平,打开“与门”,振荡器的振荡脉冲加在RS触发器的R端,使输出端Q为高电平,开关管导通,输入电压向滤波电容充电,使输出电压升高,直到反馈电压等于内部基准电源1.25V时,电路达到平衡状态,输出电压稳定在设计时规定的值;反之,当输出电压高于设计规定值时,开关管截止,电容放电,输出电压减小,最终稳定在设计时规定的值,从而达到了稳压的目的。

  2.MC34063设计负电源变换电路

  MC34063开关电源控制器是一种单端输出式直流变换器,它不仅可以设计升压和降压电路,而且还可以完成电压反相功能[3]。在设计电压反相的负电源电路时,由于受芯片内部电路结构的影响,流过开关管的电流是梯形波,效率偏低,使得输出电流超过200mA时,电源系统就不稳定,输出纹波电压增大,不能满足在负载要求较大的情况下运行,严重影响了其应用范围。

  采用MC34063设计的带电流扩充的负电源电路如图2所示。外接开关管的选用对电路性能影响很大,直接决定了电路输出电流的大小和效率的高低。用三极管做外接开关管,可以和内部功率管接成达林顿形式和非达林顿形式两种电路。采用非达林顿电路时,在开关过程中,三极管的基极存储电荷,会导致管子达到饱和状态,当达到深度饱和时,就会影响开关频率,限制了其应用范围。采用达林顿电路时,虽然不会出现电荷饱和现象,但是开关管导通时压降增加,功耗明显变大,三极管发热严重,输出电流增加有限。采用功率MOSFET做外接开关管时,具有很多优点。它是多数载流子导电的单极型电压控制性器件,不存在电荷存储问题,且开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小和无二次击穿问题等特点[5]。NTB2506是工作在低压环境下,具有高速开关特性的P沟道功率MOSFET,开关特性好、损耗小,它的漏极和源极耐压为60V,栅极和源极电压可以达到20V,连续工作电流可达27.5A。故本文选用NTB2506做外接开关管与MC34063内部的功率管并接成非达林顿形式的电路结构。

  基于MC34063的大电流负电源设计,基于MC34063的大电流负电源设计,第3张

  功率MOSFET的栅极驱动波形对电源的效率有着重要影响,若R5和R6值选择不当,会使电源效率偏低,功率管发热严重,输出电流减小。功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有:最优的驱动电压和电流波形,最优的驱动电压和电流大小[6]。电阻R5加在栅极和源极之间,主要作用是通过电阻对功率MOSFET栅-源之间的等效电容进行充电,改善驱动电压的波形,保证开通信号具有良好的前沿陡度。如果R5的值过大,漏极与源极之间电压的突变,会通过极间电容耦合到栅极,产生相当高的栅-源尖峰电压,其电压轻则会使功率MOSFET严重发热,重则会使栅-源氧化层击穿,造成管子永久性损坏。电阻R6为栅极驱动电阻,用以调节驱动电流的大小和驱动电压的波形。功率MOSFET开通时,以低电阻对栅极电容充电;关断时,为栅极电荷提供放电回路,以提高功率MOSFET开关速度。电阻的具体数值需要在系统运行状态下通过试验进行调试,使得栅极驱动效果最好,一般情况下,电阻值不能太大。另外,电路带有感性负载,当器件在开关过程中,漏极电流的突变会产生很高的尖峰电压,可能会导致器件的击穿,开关频率越高,产生的过压越大。本文采用2种方法来消除漏极尖峰电压:一是利用二极管D在NTB2506开关过程中给电流提供放电回路;二是利用电阻R4和电容C4构成RC吸收电路,吸收NTB2506漏-源两极间的瞬时电压尖峰,这样可以基本消除尖峰电压,很好地保护了功率MOSFET。

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