The Design of High-current Negative Power Source Based on MC34063

　　Sun zhi, Zhang dao-xin

　　(School of Electrical Science & Technology, Anhui University, Hefei Anhui 230039, China)

　　Abstract:We propose a current expansive negative power source with MC34063 forming the circuit and MOS NTB2506 as the external switch controller. Through tuning of MOS’s gate driving resistance and the resistance between gate and source, the gate obtains the optimum driving voltage waveform and current magnitude and sequentially the output power and energy efficiency of the power will be obviously improved. The experiment results show that our power supply can generate an output current up to 1A, with a relatively small size and high efficiency.

　　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。如用线性电源供电方案,要经过降压、整流、滤波产生正负两种直流电压,再用稳压芯片进行稳压,效率低,滤波电容、散热片会增加电源部分的体积,不适合电路小型化要求。而用开关电源方案供电时,只需要一路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[1]。

　　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，提高了电源输出电流能力。

　　1 MC34063内部结构和电路工作原理

　　MC34063内部原理如图1所示,是一种单片双极性集成电路,具有DC/DC变换器所需要的主要功能,是由基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器,RS触发器和大电流输出开关管等部分组成。

　　MC34063电路控制方式是他激式,内部有一个振荡器,通过外接电容,产生一定频率的开关脉冲信号,来控制开关管的通断,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可以根据实际情况需要,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数值;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数值，这样就达到了稳压的目的[2]。

　　2 以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,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,严重影响其应用范围[4]。

　　MC34063设计带电流扩充的负电源电路,电路原理如图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,三极管的基区存储电荷，会导致三极管达到饱和状态，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，三极管的发热严重，输出电流的增加有限。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型器件，不存在电荷存储问题，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,开关特性好和开关损耗小,其漏极和源极耐压为60V,栅极和源极电压可以达到20V,连续工作电流可达27.5A。文中选用NTB2506做外接开关管和MC34063内部的功率管接成非达林顿形式的电路结构。

　　功率MOSFET管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数值[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,这一电压轻则会使功率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,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。本文采用两种方法来消除漏极尖峰电压,一是利用二极管VD在NTB2506开关过程中给电流提供放电回路;二是利用电阻R1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,可以使其基本消除,很好地保护了功率MOSFET管。

　　MC34063内部的误差放大器采用的是开环控制,占空比不能锁定,这给电感电容等参数的选择带来了困难,按照芯片说明书计算出的电感电容等值,往往偏小,实际使用时一般是计算值的2～3倍。电容C3用于稳定反馈电压的输入,改善瞬态响应波形。续流二极管VD选择正向导通电压小,恢复时间快的肖特基二极管,并且注意耐压值和承受电流的能力。要选择承受电流大、自身电阻小的电感,使其发热量小、稳定性好。滤波电容除了需要电解电容外,一般还要选择等效串联电阻小的高频陶瓷电容,以减小电源的纹波电压。（游米儿）