摘  要： 采用MC34063設計帶電流擴充的負電源電路，功率MOS管NTB2506作外接開關管，通過調節功率MOS管的柵極驅動電阻和柵－源之間的電阻，使得柵極有最優驅動電壓波形和電流大小，以增加電源的輸出功率和效率。實驗表明，設計的電源輸出電流可達1 A，且體積小、效率高。
關鍵詞： MC34063；NTB2506；負電源

　　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。如用線性電源方案為系統供電，要經過降壓、整流、濾波產生正負2種直流電壓，再用穩壓芯片進行穩壓，不但效率低，而且濾波電容、散熱片會增加電源部分體積，不適合電路小型化的要求。而用開關電源方案供電時，只需要1套經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、發熱量小[1]。
　　在開關電源管理芯片中，輸出為正電源的器件種類較多，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，并優化柵極驅動波形，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，由基準電壓發生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發器和大電流輸出開關管等部分組成。

　　MC34063電路控制方式是它激式，內部有1個振蕩器，通過外接電容，產生一定頻率的開關脈沖信號，以控制開關管的斷通，使輸出端有穩定直流電壓輸出，開關頻率由外接電容決定。MC34063可以根據實際需要，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，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“與門”，振蕩器的振蕩脈沖加在RS觸發器的R端，使輸出端Q為高電平，開關管導通，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，電路達到平衡狀態，輸出電壓穩定在設計時規定的值；反之，當輸出電壓高于設計規定值時，開關管截止，電容放電，輸出電壓減小，最終穩定在設計時規定的值，從而達到了穩壓的目的[2]。
2 MC34063設計負電源變換電路
　　MC34063開關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，由于受芯片內部電路結構的影響，流過開關管的電流是梯形波，效率偏低，使得輸出電流超過200 mA時，電源系統就不穩定，輸出紋波電壓增大，不能滿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。外接開關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。用三極管做外接開關管，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，在開關過程中，三極管的基極存儲電荷，會導致管子達到飽和狀態，當達到深度飽和時，就會影響開關頻率，限制了其應用范圍。采用達林頓電路時，雖然不會出現電荷飽和現象，但是開關管導通時壓降增加，功耗明顯變大，三極管發熱嚴重，輸出電流增加有限。采用功率MOSFET做外接開關管時，具有很多優點。它是多數載流子導電的單極型電壓控制性器件，不存在電荷存儲問題，且開關速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、驅動功率小和無二次擊穿問題等特點[5]。NTB2506是工作在低壓環境下，具有高速開關特性的P溝道功率MOSFET，開關特性好、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做外接開關管與MC34063內部的功率管并接成非達林頓形式的電路結構。

　　功率MOSFET的柵極驅動波形對電源的效率有著重要影響，若R5和R6值選擇不當，會使電源效率偏低，功率管發熱嚴重，輸出電流減小。功率MOSFET對柵極驅動電路的要求主要有：最優的驅動電壓和電流波形，最優的驅動電壓和電流大小[6]。電阻R5加在柵極和源極之間，主要作用是通過電阻對功率MOSFET柵-源之間的等效電容進行充電，改善驅動電壓的波形，保證開通信號具有良好的前沿陡度。如果R5的值過大，漏極與源極之間電壓的突變，會通過極間電容耦合到柵極，產生相當高的柵-源尖峰電壓，其電壓輕則會使功率MOSFET嚴重發熱，重則會使柵-源氧化層擊穿，造成管子永久性損壞。電阻R6為柵極驅動電阻，用以調節驅動電流的大小和驅動電壓的波形。功率MOSFET開通時，以低電阻對柵極電容充電；關斷時，為柵極電荷提供放電回路，以提高功率MOSFET開關速度。電阻的具體數值需要在系統運行狀態下通過試驗進行調試，使得柵極驅動效果最好，一般情況下，電阻值不能太大。另外，電路帶有感性負載，當器件在開關過程中，漏極電流的突變會產生很高的尖峰電壓，可能會導致器件的擊穿，開關頻率越高，產生的過壓越大。本文采用2種方法來消除漏極尖峰電壓：一是利用二極管D在NTB2506開關過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環控制，占空比不能鎖定，這給電感電容等參數的選擇帶來了困難，按照芯片說明書計算出的電感電容等值往往偏小，實際使用時一般是計算值的2～3倍。電容C3加在取樣電阻兩端，以穩定反饋電壓的輸入，改善瞬態響應波形。續流二極管選擇正向導通電壓小、恢復時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。電感要選擇線圈粗、承受電流大、自身電阻小的，使其發熱量小，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電阻小的高頻陶瓷電容，以減小電源的紋波電壓。
3 實驗結果
　　在電源電路中，開關管導通和關斷的頻率高，環路電流大，在設計PCB元件布局時應使其面積最小，布線時應使相關的線路要寬。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電源部分封閉起來，將功率管NTB2506的漏極涂上導熱膠，使其和鋼板緊密接觸來增加散熱面積，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，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改善電源的性能。
　　功率MOSFET柵極驅動電阻的改變，對柵極驅動波形的影響如圖3所示。其中，圖3(a)驅動電阻為100 Ω，圖3(b)為500 Ω，圖3(c)為5 kΩ，且圖3(c)輸出電流已經達不到1 A。從3幅圖的比較可以得出，柵極驅動波形隨著驅動電阻的改變而改變，因此，選擇合適的柵極驅動電阻可以明顯改善驅動波形，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。實驗室長時間運行表明，在大電流輸出時，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。
參考文獻
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