一种MBUS通讯电源升压电路(MC33063A)设计

一种MBUS通讯电源升压电路(MC33063A)
设计
2 无锡普天铁心股份有限公司江苏省徐州市 221000
摘要：为了提高海外客户拉脱维亚智能表的安全可靠性，现对原有设计
进行调整，将风险控制在最低，通过重新设计电路，达到了满意的效果。

解决了
电阻电感散热问题，收获了宝贵经验，降低了烧毁风险，提高了产品可靠性。

关键词：Boost升压电路；MC33063芯片；电阻并联
1研究背景
1.1S12S01R3-03拉脱维亚单相智能表/S34S02 R2-04拉脱维亚三相智能表的MC33063A 升压电路
R959 180欧 0805封装存在功率超额风险
1.2电感L906 680uH存在峰值电流超额风险
2理论分析介绍
2.1 DC-DC升压电路理论介绍
图5 xxxx
1）对于boost升压DC-DC电路，上图中详细标识处了电流方向和续流通路。

2）在升压变换器中，开关导通时，能量从输入直流电源(通过开关)传输给
电感，没有能量传输到输出端。

3）开关关断时，电感储能，通过二极管传输到输出。

但是，输出中有一部
分能量直接来自输入直流电源。

4）因输出电容的平均电流为零，那么升压变换器的平均二极管电流必然等
于负载电流。

因此，Id_avg=Io=IL*（1-D），所有IL=Io/（1-D）；
/T，T=Ton+Toff）：5）占空比D理论计算如下（变压器的占空比定义为D= T
on
首先定义开关导通时电感上两端的电压为Von，开关关断时电感上两端电压
为Voff，根据伏秒定律分析升压拓扑，有：Von=Vin-Vsw Von =Vo+Vd-Vin 由伏秒定律Von*Ton= Von*Toff 有Toff/ Ton= (Vin-Vsw)/( Vo+Vd-Vin)
可推出(Toff+Ton)/Ton= (Vin-Vsw+Vo+Vd-Vin)/(Vo+Vd-Vin)
即D/T=(Vo+Vd-Vin)/ (Vin-Vsw+Vo+Vd-Vin)，如果开关和二极管的压降与输
入和输出电压相比都很小，上式可简化为：
D=(Vo-Vin)/Vo，也即D=1-Vin/Vo；
由上式可推出：Vo=Vin/(1-D)；
6）升压变换器中平均电感电流为IL，则平均开关电流为IL*D，平均二极管
电流为IL*(1-D)，平均输入电流等于平均电感电流。

平均输出电流等于平均二极
管电流。

7）开关、二极管、电感最小额定值计算：
(1)由拓扑图可知，开关、二极管、电感的最小额定值电压均为Vo；
(2)开关最小电流额定值计算：
平均开关电流Isw=IL*D；平均输出电流等于平均二极管电流，即
Io=Id=IL*(1-D)，所以IL=Io/(1-D)；
故平均开关电流Isw= IL*D=[Io/(1-D)]*D，即Isw=Io*D/(1-D)；
(3)电感最小额定值计算：
平均输出电流等于平均二极管电流，即Io=Id=IL*(1-D)，及IL=Io/(1-D)
考虑1.2倍的一般设计准则，即电感电流波形的峰值比其平均值高出大约20%。

因此电感电流额定值至少是1.2*IL。

故电感最小额定电流应为1.2*Io/(1-D)；
3MC33063A升压电路相关器件计算
3.1 DC-DC芯片内部结构图如下：
图1 xxxx
查阅该芯片手册可知，该芯片通过采样外部电阻Rsc，通过控制内部占空比
和频率来限制峰值电流Ipk的大小。

故Ipk=0.3/Rsc，在本方案中Rsc采用最终采用两个0603 2欧和0603 3欧
并联，及Rsc=1.2欧，故Ipk=0.3/1.2=250 mA，选用的电感额定电流为330 mA，满足要求。

3.2 选型分析
当前设计方案中输入电压Vin=16V，输出电压Vo为30V，最大负载电流
Io=100 mA，最大负载时开关频率f=70kHZ；
(1)占空比D=(Vo-Vin)/Vo=14/30=0.47； T=1/f=1/70=14us；
Ton=D*T=0.47*14=6.58 us；
(2)当电路工作达到稳定状态之后，电感导通阶段的电感电压与其作用时间(即导通时间)的乘积必然等于电感关断阶段的电感电压与其作用时间的乘积，即Von*Ton=Voff*Toff；
也就是说在稳态工作时，任何开关周期内，电感电压曲线的净面积必然为零；即伏秒原则；
(3)从V=Ldi/dt可得：△Ion=Von*Ton/L= Von*Ton_uH/L_ uH =Et/L_uH；
Von*Ton=16*6.58=105.28；
IL=Io*(1-D)=0.1/0.53=0.1887A，即△Ion=0.1887A；
故L= Von*Ton/△Ion=105.28/0.1887A=557.9 uH；
当前选型680 uH 、330mA的贴片电感满足要求。

(4)当前选用的MC33063A芯片，输入电压最大为40V，最大输出电流为1.5A，当前输入16V，输出设计30V，最大负载100mA，满足要求。

(5)二级管的最小额定为Vo，当前输出设计为30V，峰值电流Ipk限制为250 mA，二级管选用US1M快恢复二极管，反向耐压为1000V，最大正向导通电流为
1A，满足当前设计要求。

4全规范MBUS通信硬件标准部分解析(BS_EN_13757-2-2004)
全规范MBUS标准中提到，当总线静态时，电压范围满足21V~42V之间(动态
电压范围在12V~42V之间) ，每个从站要求静态电流功耗小于1.5mA 。

标准中总
线静态电源电压典型值为36V，考虑到电源部分输出电容的耐压问题，当前设计
采用静态总线电压30V，最大带载能力80mA，满足标准要求。

MBUS通信时，主站发送数据时，对MBUS总线电压信号进行调制，标准要求
高低电平的电压变化典型值为12V，且电压变化量需保证12V以上，当前设计方
案满足要求。

MBUS通信时，从站发送数据时，在静态电流的基础上，总线上增加11~20mA
的电流。

当前设计最大输出80mA满足要求。

标准中主从站交互关系图如下：
图2 xxxx
注意：关于非全规范的MBUS通信应用电路，例如当前表端通过MBUS通信与CIU单元进行交互，总线电压无要求，当前设计的方案中总线电压采用20V（更
改DCDC升压电路参数），从机CIU的静态电流没有小于1.5mA的要求。

为提高
通信成功率，从站CIU尽可能的减小静态功耗，降动态时非通信回路的电流功耗，并适当增大动态时通信回路的电流功耗。

5实际测试分析过程
DC-DC升压电路更改前， R947为1欧(0805封装)，跟进MC33063A 技术手
册可知电感峰值电流Ilimit=0.3/1=300 mA,跟据电感L906 680uH手册可知，其
最大电流有效值为330mA。

设计的300mA接近330 mA，不满足降额设计要求。

DC-DC升压电路更改后，由0603 2欧和0603 3欧电阻并联，即为1.2欧，
理论上I
limit =0.3/1.2=250 mA<80%*330mA，满足降额80%要求。

因I
limit
有所限制，
故该DCDC的输出能力将降低，最大带载能力为80 mA，继续加大负载，输出电压降逐步降低。

DC-DC升压电路更改后，R959由0805 180欧更改为两个1206 390欧并联(180欧)。

因此电阻参数改大，会影响到该DCDC的驱动能力，故而影响到输出带载能力。

故根据datasheet应用电路的推荐值为180欧，所以在本设计中仍采用180欧，仅更改封装，用两个1206 390电阻并联使用(功率为0.25w+0.25w)，以解决功率超额问题。

电阻、电感电流测试数据如下：
（1）DC-DC后端30V带20mA负载时，此时DCDC输出电压30.27V，Ir959电流有效值(均方根)为
30.8mA，波形峰值电流为78mA，即该电阻上产生的功率为P=0.0308*0.0308*180=0.171w<0.5w，满足要求。

（2）DC-DC后端30V带20mA负载时，电感L906电流有效值为96.8mA，波
形峰值电流为268mA约等于0.8*330mA=264mA，基本满足要求。

（3）DC-DC后端30V带80mA负载时(最大输出能力)，此时DCDC输出电压30.27V，Ir959电流有效值(均方根)为43.4mA，波形峰值电流为78mA，即该电阻
上产生的功率为P=0.0434*0.0434*180=0.339w<0.5w，满足要求
（4）DC-DC后端30V带80mA负载时，电感L906电流有效值为187mA，波形
峰值电流为268mA约等于0.8*330mA=264mA，基本满足设计要求。

（5）MBUS总线短路时时，此时DCDC输出电压21.3V，开始短路瞬间MBUS
总线上电流为142mA，刚短路时Ir959电流有效值(均方根)为31.1mA，波形峰
值电流为70mA，即该电阻上产生的功率为P=0.0311*0.0311*180=0.175w<0.5w，
满足设计要求。

15-30s后热敏开始动作，同步DCDC后端输出电压V30缓慢上升，Ir959电流将逐步减小。

（6）MBUS总线短路时时，电感L906电流有效值为223mA，波形峰值电流为272mA，约等于
0.8*330mA=264mA，基本满足设计要求，15-30s后热敏开始动作，同步DCDC后端输出电压V30缓慢上升，
IL电流将逐步减小。

更改之后的DC-DC升压电路效率测试，随着负载增大到80mA过程中，效率
逐渐增大，当超过80mA时，效率降低。

测试数据如下：
温升测试-带满载80mA，常温下放置4小时后测试其温度。

（1）电感L906，温度为41.3℃，（2）180欧电阻（以下测试采用单个0805封装，
如用2个1206 390并联，温升将降低），温度为50.3℃，（3）MC33063A芯片，温度为56.1℃，
6总结
全规范MBUS电路总线上静态最大为1.5mA*4=6mA，动态时电流最大在26mA
左右，实际上很难达到80mA，故以上有些测试比较严格，实际现场不太可能出现80mA的工况。

虽然MBUS总线短路的情况会出现，但总线上有热敏，10-20S左右
会开始动作进行保护。

PCB设计中请注意MC33063芯片、电感、180欧电阻的散热。

另外MBUS通讯
电路中的100欧姆1W的电阻散热需要特别注意。

参考文献：
[1]曲学基，王增福，曲敬凯《稳压电源使用手册》北京：电子工业出版社1994.11:13-15
[2]王兆安，张明勋《电力电子设备设计和应用手册》北京：机械工业出版
社2002.7:24。