深入解析Onsemi MC34163/MC33163电源开关调节器

在电源管理领域，高效、稳定且功能丰富的开关调节器一直是电子工程师们的追求。Onsemi的MC34163/MC33163系列电源开关调节器就是这样一款备受关注的产品。今天，我们就来深入了解一下这款调节器的特性、工作原理、应用场景以及设计要点。

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产品概述

MC34163系列是单片电源开关调节器，专为直流到直流转换器应用而优化。它集成了直流 - 直流转换器所需的主要功能，能以最少的外部组件实现升压、降压和电压反转应用。该系列适用于对成本敏感的消费产品，以及汽车、计算机和工业市场的设备。

产品特性

• 高输出电流：输出开关电流超过3.0A，最大可达3.4A，能满足多种高功率应用需求。
• 宽输入电压范围：可在2.5V至40V的输入电压下工作，适应不同的电源环境。
• 低待机电流：有助于降低功耗，提高系统的能源效率。
• 高精度参考：具有2%的精密参考电压，保证了输出电压的稳定性。
• 控制占空比振荡器：通过选择合适的定时电容 (C_T) ，可以编程振荡器频率和输出开关的导通时间。
• 自举驱动能力：提高了转换效率，降低了输出开关的饱和电压。
• 多重保护功能：包括逐周期电流限制和内部热关断保护，确保设备在异常情况下的安全运行。
• 低电压指示输出：可直接与基于微处理器的系统接口，方便系统监控和控制。
• 散热封装：采用16引脚双列直插式散热片塑料封装，提高了热传导性能。

工作原理

振荡器

MC34163作为固定导通时间、可变关断时间的电压模式纹波调节器工作。振荡器频率和输出开关的导通时间由定时电容 (C_T) 决定。 (C_T) 由内部电流源和吸收器以9:1的比例进行充电和放电，在引脚6产生负向锯齿波。在 (C_T) 充电时，振荡器输出产生内部脉冲，该脉冲连接到或非门中心输入，防止输出开关导通；同时连接到与门上部输入，若比较器输出为低，则允许锁存器复位。因此，输出开关在上升阶段始终被禁用，仅在下降阶段开始时可由比较器输出启用。

反馈和低电压指示比较器

输出电压控制由反馈比较器实现。反相输入内部偏置为1.25V，未引出引脚。转换器输出电压通常通过两个外部电阻分压，并由引脚2的高阻抗同相输入监测。低电压指示（LVI）比较器用于基于微处理器的系统中的复位控制，反相输入内部偏置为1.125V，设置同相输入阈值为标称值的90%，并具有15mV的迟滞以防止复位操作不稳定。

电流限制比较器、锁存器和热关断

在正常工作条件下，输出开关的导通由振荡器启动，由电压反馈比较器终止。当转换器输出过载或反馈电压感测丢失时，电流限制比较器将保护输出开关。开关电流通过与 (V{CC}) 和输出开关晶体管 (Q{O2}) 串联的小电阻 (R_{SC}) 转换为电压，若该电压降超过250mV，比较器将设置锁存器并逐周期终止输出开关导通。内部热关断电路在结温超过170°C时，将锁存器强制置为“置位”状态，禁用输出开关，防止设备过热损坏。

驱动器和输出开关

为了提高系统设计的灵活性和转换效率，驱动器电流源和集电极以及输出开关的集电极和发射极分别引出引脚。输出开关在2.5A时典型电流增益为70，设计用于切换最大40V的集电极 - 发射极电压，最大集电极峰值电流可达3.4A。在降压或电压反转应用中，建议使用1N5822或等效的肖特基势垒整流器，以避免发射极过负导致额外的设备发热和转换效率降低。

应用案例

降压转换器

降压转换器是MC34163常见的应用之一。测试数据显示，在输入电压 (V_{in}) 为8.0V至24V，输出电流 (IO) 为3.0A时，线路调整率为6.0mV（±0.06%）；在 (V{in}) 为12V， (I_O) 为0.6A至3.0A时，负载调整率为2.0mV（±0.02%）。使用自举功能时，效率可达81.2%。

升压转换器

升压转换器适用于需要将输入电压升高的应用。在输入电压 (V_{in}) 为9.0V至16V，输出电流 (I_O) 为1.0A时，负载调整率为2.0mV（±0.01%），输出纹波为130mVpp，使用自举功能时效率为77.5%。

电压反转转换器

电压反转转换器可将输入电压转换为相反极性的输出电压。通过合理设计电路参数，可以实现稳定的电压反转输出。

设计要点

在设计使用MC34163的电路时，需要考虑以下几个关键因素：

• 输入输出参数选择：根据应用需求选择合适的标称输入电压 (V{in}) 、期望输出电压 (V{out}) 、期望输出电流 (I{out}) 、期望的电感纹波电流 (Delta I{L}) 、最大输出开关频率 (f) 和期望的输出纹波电压 (V_{ripple(pp)}) 。
• 电阻 (R_{SC}) 计算：根据开关峰值电流 (I{pk}(Switch)) 计算 (R{SC}) 的值，公式为 (R{SC}=frac{0.25V}{I{pk}(Switch)}) ，以确保电流限制功能的正常工作。
• 自举电容计算：根据最小齐纳电压和上限电流源计算自举电容 (C{B(min)}) 的最小值，公式为 (C{B(min)} = 0.001t_{on}) 。
• 散热设计：由于MC34163采用散热封装，可通过将引脚焊接到足够面积的铜箔上，利用印刷电路板作为散热器，降低结 - 空气热阻。

总结

Onsemi的MC34163/MC33163系列电源开关调节器以其丰富的功能、高输出电流、宽输入电压范围和多重保护特性，为电子工程师提供了一个强大而灵活的电源管理解决方案。无论是在消费产品还是工业设备中，都能发挥重要作用。在实际设计中，工程师们需要根据具体应用需求，合理选择参数，优化电路设计，以充分发挥该系列调节器的性能优势。你在使用类似电源开关调节器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。