一、MC34063芯片概述

MC34063是一款經(jīng)典的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器芯片，具有較高的集成度和性價(jià)比。它可以用于降壓、升壓和反轉(zhuǎn)三種不同的轉(zhuǎn)換模式。MC34063的工作頻率范圍通常在100kHz以下，具有良好的效率和可調(diào)節(jié)性。在升壓模式中，MC34063能夠?qū)⑤斎腚妷禾嵘奖容斎腚妷焊叩妮敵鲭妷骸?/span>

MC34063內(nèi)部集成了振蕩器、比較器、誤差放大器、開關(guān)晶體管、參考電壓源和電流限制電路等組件，極大簡化了電路設(shè)計(jì)。使用MC34063設(shè)計(jì)升壓電路時(shí)，只需要少量的外部元件，如電感、二極管、電容和電阻等即可完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)。

二、MC34063升壓電路的工作原理

MC34063的升壓電路利用了電感在磁場中存儲能量并在電路中釋放的特性。其工作過程可分為兩個(gè)階段：儲能階段和能量釋放階段。

1. 儲能階段：在此階段，內(nèi)部開關(guān)管導(dǎo)通，電源電壓通過電感向地提供電流，電感開始存儲能量，電流逐漸增大。此時(shí)，二極管被反向偏置，負(fù)載電壓由輸出電容提供。

2. 能量釋放階段：當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感中儲存的能量會通過二極管釋放到負(fù)載，同時(shí)輸出電容被充電。電感電流逐漸減小。重復(fù)上述過程，可以實(shí)現(xiàn)將輸入電壓升高到輸出端。

三、MC34063升壓電路的設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)MC34063升壓電路時(shí)，需要進(jìn)行以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟的計(jì)算：

1. 確定輸入和輸出參數(shù)

首先，我們需要明確電路的輸入電壓范圍（$V_{in(min)}$Vin(min)和$V_{in(max)}$Vin(max)），輸出電壓$V_{out}$Vout，輸出電流$I_{out}$Iout，以及所需的開關(guān)頻率$f_{sw}$fsw。

例如，假設(shè)我們設(shè)計(jì)一個(gè)輸入電壓范圍為7V到12V，輸出電壓為24V，輸出電流為100mA的升壓電路。

2. 電感量的計(jì)算

電感量$L$L的計(jì)算是升壓電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。電感值的大小直接影響到電路的工作穩(wěn)定性和效率。電感量可以通過下式計(jì)算：

$$L = frac{(V_{in(min)} imes (V_{out} - V_{in(min)}))}{I_{peak} imes f_{sw} imes V_{out}}$$L=Ipeak×fsw×Vout(Vin(min)×(Vout?Vin(min)))

其中，$I_{peak}$Ipeak是峰值電流，可以通過以下公式計(jì)算：

$$I_{peak} = I_{out} imes left(1 + frac{V_{out} - V_{in(min)}}{V_{in(min)}} ight)$$Ipeak=Iout×(1+Vin(min)Vout?Vin(min))

假設(shè)我們選擇的開關(guān)頻率為100kHz，那么計(jì)算得到的電感值大約為68μH。

3. 輸出電容的計(jì)算

輸出電容$C_{out}$Cout決定了電路的輸出紋波電壓大小，通常選擇低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容以減小紋波。輸出電容可以通過以下公式計(jì)算：

$$C_{out} = frac{I_{out} imes (V_{out} - V_{in(min)})}{Delta V_{out} imes f_{sw} imes V_{out}}$$Cout=ΔVout×fsw×VoutIout×(Vout?Vin(min))

其中，$Delta V_{out}$ΔVout為允許的輸出電壓紋波，一般情況下，輸出電壓紋波應(yīng)控制在輸出電壓的1%到2%。

假設(shè)允許的輸出紋波為240mV，那么計(jì)算得到的輸出電容大約為220μF。

4. 二極管選擇

升壓電路中，二極管的作用是防止電感的反向電壓對芯片和電路造成損害。選用的二極管必須能夠承受升壓后的電壓，并且具有足夠低的正向壓降。常用的二極管型號為肖特基二極管，如1N5819。

選擇二極管時(shí)，其反向耐壓應(yīng)至少為輸出電壓的1.5倍，額定電流應(yīng)為輸出電流的2倍以上。

5. 電流檢測電阻的選擇

MC34063芯片內(nèi)部集成了電流限制功能，通過外部電流檢測電阻$R_{sc}$Rsc設(shè)置電流限值。電流限值可以通過以下公式計(jì)算：

$$R_{sc} = frac{330mV}{I_{peak}}$$Rsc=Ipeak330mV

其中，330mV為MC34063內(nèi)部電流檢測電路的參考電壓。根據(jù)前面計(jì)算的峰值電流$I_{peak}$Ipeak，我們可以選擇合適的電阻值。

6. 開關(guān)頻率調(diào)整

MC34063的開關(guān)頻率由外部電容$C_{t}$Ct和電阻$R_{t}$Rt決定。開關(guān)頻率可以通過以下公式計(jì)算：

$$f_{sw} = frac{1.72}{R_{t} imes C_{t}}$$fsw=Rt×Ct1.72

常用的$C_{t}$Ct值在100pF到10nF之間，通過調(diào)整$R_{t}$Rt的值可以得到所需的頻率。頻率的選擇應(yīng)考慮電路的效率和元器件的規(guī)格。

四、MC34063升壓電路設(shè)計(jì)中的常見問題

在設(shè)計(jì)和調(diào)試MC34063升壓電路時(shí)，可能會遇到一些常見問題，如電壓不穩(wěn)定、輸出紋波較大、電感發(fā)熱嚴(yán)重等。以下是一些解決方案：

1. 電壓不穩(wěn)定

如果電路輸出電壓不穩(wěn)定，可能是由于電感值選擇不當(dāng)或電流限制設(shè)置不合理?？梢試L試更換電感或調(diào)整電流檢測電阻來解決這個(gè)問題。

2. 輸出紋波較大

輸出紋波較大通常是由于輸出電容選擇不當(dāng)或者ESR過高。此時(shí)可以選擇更大的電容或低ESR電容來減小輸出紋波。

3. 電感發(fā)熱嚴(yán)重

電感發(fā)熱可能是由于電感的電流過大或電感選擇不合適?？梢試L試使用更高電流容量的電感或優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，降低電感電流峰值。

五、MC34063升壓電路的應(yīng)用場景

MC34063升壓電路廣泛應(yīng)用于各種需要提升電壓的場合，例如LED驅(qū)動電路、電池供電的升壓電源、便攜設(shè)備的電源管理等。由于其成本低、設(shè)計(jì)簡單，MC34063在工業(yè)控制、通信設(shè)備以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

1. LED驅(qū)動：在LED驅(qū)動電路中，MC34063可以將較低的電源電壓升高到LED所需的工作電壓，保證LED的正常工作。

2. 電池供電的升壓電源：在需要從低壓電池供電并生成高壓輸出的應(yīng)用中，MC34063是一個(gè)理想的選擇。例如，3.7V鋰電池升壓到5V供給USB設(shè)備供電。

3. 便攜設(shè)備的電源管理：MC34063能夠有效管理便攜設(shè)備中的電源，將電池的電壓提升到設(shè)備所需的工作電壓。

六、MC34063升壓電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)MC34063升壓電路時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要特別注意，以確保電路的可靠性和穩(wěn)定性：

1. 散熱管理：MC34063的效率較高，但仍需注意散熱問題。特別是在大電流工作條件下，散熱設(shè)計(jì)尤為重要?？梢栽黾由崞虿捎昧己玫腜CB布局來提升散熱性能。

2. EMI考慮：開關(guān)電源電路通常會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽措施，避免對周邊電路造成干擾。

3. PCB布局：合理的PCB布局對電路的性能至關(guān)重要。需要注意功率路徑的布局，盡量減少寄生電感和寄生電容的影響。

4. 元件選型：元件的選型應(yīng)考慮其額定值和工作環(huán)境。例如，電感的額定電流應(yīng)大于電路中的峰值電流，二極管的反向耐壓和正向電流額定值也需要留有足夠的裕量，以確保電路在各種工況下的可靠性。

七、MC34063升壓電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)例

為了更好地理解MC34063升壓電路的設(shè)計(jì)步驟，我們可以通過一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例來演示整個(gè)過程。

設(shè)計(jì)要求：

• 輸入電壓范圍：7V至12V

• 輸出電壓：24V

• 輸出電流：100mA

• 開關(guān)頻率：100kHz

1. 電感的選擇

首先，我們需要根據(jù)前面提到的公式來計(jì)算電感值。根據(jù)公式：

$$L = frac{V_{in(min)} imes (V_{out} - V_{in(min)})}{I_{peak} imes f_{sw} imes V_{out}}$$L=Ipeak×fsw×VoutVin(min)×(Vout?Vin(min))

其中，$I_{peak}$Ipeak的計(jì)算公式為：

$$I_{peak} = I_{out} imes left(1 + frac{V_{out} - V_{in(min)}}{V_{in(min)}} ight)$$Ipeak=Iout×(1+Vin(min)Vout?Vin(min))

代入?yún)?shù)：

$$I_{peak} = 0.1 imes left(1 + frac{24 - 7}{7} ight) = 0.1 imes left(1 + 2.43 ight) = 0.343A$$Ipeak=0.1×(1+724?7)=0.1×(1+2.43)=0.343A

再代入電感計(jì)算公式：

$$L = frac{7 imes (24 - 7)}{0.343 imes 100,000 imes 24} = frac{7 imes 17}{8,232} approx 14.45 mu H$$L=0.343×100,000×247×(24?7)=8,2327×17≈14.45μH

電感值計(jì)算出來約為14.45μH，可以選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值15μH的電感來滿足設(shè)計(jì)需求。

2. 輸出電容的選擇

接下來，我們計(jì)算輸出電容值。根據(jù)輸出電容的計(jì)算公式：

$$C_{out} = frac{I_{out} imes (V_{out} - V_{in(min)})}{Delta V_{out} imes f_{sw} imes V_{out}}$$Cout=ΔVout×fsw×VoutIout×(Vout?Vin(min))

假設(shè)允許的輸出電壓紋波為240mV（即輸出電壓的1%），代入?yún)?shù)：

$$C_{out} = frac{0.1 imes (24 - 7)}{0.24 imes 100,000 imes 24} = frac{1.7}{5,760} approx 295.1 mu F$$Cout=0.24×100,000×240.1×(24?7)=5,7601.7≈295.1μF

輸出電容值約為295μF，選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值330μF的電容會更好，以確保較低的輸出紋波。

3. 二極管的選擇

二極管的選擇需要考慮反向耐壓和正向電流能力。此設(shè)計(jì)中，輸出電壓為24V，因此二極管的反向耐壓應(yīng)至少為1.5倍的輸出電壓，即36V以上。常用的肖特基二極管如1N5819，其反向耐壓為40V，最大正向電流為1A，足以滿足要求。

4. 電流檢測電阻的選擇

電流檢測電阻$R_{sc}$Rsc的選擇與電流限值密切相關(guān)。根據(jù)前面的公式：

$$R_{sc} = frac{330mV}{I_{peak}}$$Rsc=Ipeak330mV

代入已計(jì)算的峰值電流$I_{peak}$Ipeak：

$$R_{sc} = frac{330mV}{0.343A} approx 0.962 Omega$$Rsc=0.343A330mV≈0.962Ω

可以選擇一個(gè)1Ω的電流檢測電阻，以限制電流并保護(hù)電路。

5. 開關(guān)頻率調(diào)整

開關(guān)頻率由外部電容$C_{t}$Ct和電阻$R_{t}$Rt決定。假設(shè)我們選擇$C_{t} = 330pF$Ct=330pF，那么可以通過以下公式計(jì)算$R_{t}$Rt：

$$f_{sw} = frac{1.72}{R_{t} imes C_{t}}$$fsw=Rt×Ct1.72

代入?yún)?shù)并解出$R_{t}$Rt：

$$R_{t} = frac{1.72}{100,000 imes 330 imes 10^{-12}} approx 52kOmega$$Rt=100,000×330×10?121.72≈52kΩ

因此，選擇一個(gè)52kΩ的電阻可以設(shè)定開關(guān)頻率為100kHz。

6. 最終電路搭建

將上述元件選擇完畢后，可以將整個(gè)電路搭建起來。電路的典型框圖如下：

輸入電壓 --- 電感L --- MC34063 --- 二極管D --- 輸出電容Cout --- 輸出電壓
          |       |
          Rt      Rsc
          |
          Ct

八、設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)際調(diào)試

在設(shè)計(jì)MC34063升壓電路后，通常需要進(jìn)行實(shí)際電路的搭建與調(diào)試。調(diào)試過程中，可以通過示波器觀察輸出電壓紋波和開關(guān)波形，確保電路的正常工作。以下是幾個(gè)優(yōu)化和調(diào)試建議：

1. 元件參數(shù)調(diào)整：根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果，可能需要調(diào)整電感、電容和電阻的值，以獲得更好的電路性能。

2. 效率優(yōu)化：可以通過選擇低損耗的元件（如低ESR電容和高效二極管）來提高電路效率。

3. 熱管理：觀察電路中的熱源部分，如MC34063芯片、電感和二極管的溫度，如果溫升過高，考慮增加散熱片或改善PCB散熱設(shè)計(jì)。

4. EMI抑制：在電路中增加適當(dāng)?shù)臑V波器件（如磁珠、共模扼流圈）和屏蔽措施，抑制電磁干擾對其他電路的影響。

九、MC34063的未來與替代方案

盡管MC34063作為經(jīng)典的DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片，應(yīng)用廣泛且性能穩(wěn)定，但隨著技術(shù)的發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了許多更高效、集成度更高的替代方案。

1. 高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片：如LM2577、LT1372等芯片，具備更高的工作頻率和轉(zhuǎn)換效率，適合更高要求的應(yīng)用場景。

2. 集成度更高的方案：現(xiàn)在市面上也有一些集成了MOSFET、二極管和補(bǔ)償電路的芯片，如TPS61165，可以大幅簡化電路設(shè)計(jì)，提升可靠性。

3. 數(shù)字控制電源：隨著數(shù)字電源控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電源管理芯片開始集成數(shù)字控制功能，能夠更精確地調(diào)節(jié)輸出電壓、優(yōu)化效率，并提供更靈活的保護(hù)功能。

雖然MC34063在一些簡單的應(yīng)用中仍然具有優(yōu)勢，但在追求更高效率和更小體積的現(xiàn)代應(yīng)用中，新型芯片的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)者提供了更多選擇。

十、總結(jié)

MC34063升壓電路的設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)方面的計(jì)算與元件選擇。通過對輸入輸出參數(shù)的明確分析，合理選擇電感、電容、二極管和電流檢測電阻等關(guān)鍵元件，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的升壓電路設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體需求和應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并在電路調(diào)試階段確保電路的工作可靠性。

MC34063作為一款經(jīng)典的DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片，雖然其性能在現(xiàn)代應(yīng)用中可能略顯不足，但由于其簡單易用和成本低廉，仍然在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過對MC34063的深入理解和實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，工程師們可以更好地應(yīng)用這款芯片，并在必要時(shí)選擇更為先進(jìn)的替代方案，以滿足不斷發(fā)展的技術(shù)需求。