AN-202206:HJ35063应用于宽电压输入非隔离正负输出DC//DC电源

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概述

HJ35063是一款集BOOST变换器、BUCK变换器、电源反相器于一身的DC/DC变换控制器。内部包括具有温度自动补偿功能的带隙基准源、比较器、一个占空比周期控制器、驱动器和大电流输出开关等，能够输出1.5A的开关电流，特殊加工的带热沉块D08S2外壳封装，可有效地降低器件的热阻。常用于升压变换器、降压变换器、电源反相器的控制核心，只需要少量的外部元器件就能够构成DC/DC变换器。

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电原理图

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典型应用

1．降压变换器

开关管导通时，电源给电感和负载充电，开关管关闭时，因为电感上电流不能突变，电容上电压不能突变的特性，由电感与输出电容给负载充电，其中续流二极管起到了平滑电流，避免负载电流突变的作用，最终输出电压得以稳定。

2．升压变换器

开关管导通时，此时电源给电感充电，输出电容给负载充电，开关管关闭时，电源与电感同时对输出级充电得到一个高于电源电压的输出电压。只要开关管导通关闭的频率相对于负载的时间常数足够高，负载上就能得到一稳定的直流电压输出。

3．电压反转器

开关管导通时，电源给电感充电，输出电容给负载充电，开关管关闭时，由于电感上电流不能突变的特性，此时电感经过续流二极管给负载充电，因为电感上电流的方向与电源充电时电流方向一致，输出级为负电压。只要开关管的导通关闭频率相对于负载的时间常数足够高，负载上就能得到一稳定的直流电压输出。

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应用注意事项

HJ35063只需要几个简单的元器件就能完成升压、降压和电压反转的功能，但是在具体应用时元器件参数的选择是十分重要的，如果参数选择不当，则器件可能不能完成功能，甚至导致器件失效。

1.限流电阻：HJ35063的开关峰值电流为1.5A，而电流限制检测端检测电压典型值为300mV，较小的限流电阻会使得器件HJ35063的限流保护峰值电流提高，器件能够拉出较高的电流，但是也要注意限流电阻不能过小，以免检测端峰值电流超过开关峰值电流，这可能使得器件失效。而较大的限流电阻使得器件检测的峰值电流变得较小，器件输出电流能力减小，但能够改善输出纹波。因此在具体应用时应该根据系统的需求选择合适的限流电阻。

2.续流二极管：主要起到单向导电，防止回流，减少损耗的作用。在开关管关闭，电感对输出级充电时，起到了平滑电流，避免负载电流突变影响系统正常工作的作用。一般应选择快速开关二极管例如1N4148等开关管。当输出电流较大时，更应该选择导通压降低的肖特基势垒二极管例1N5819，1N5822等，因其导通压降低和正向额定电流大的特性，输出电流的能力得到极大提升。

3.储能电感：在降压、升压和电压反转三种电路中电感都起着对负载充电的作用，因此选择合适的电感对于器件是否正常工作十分重要。对于要求输出电流大的情况，应该选择绕线电感、工字电感和功率电感等能够储能的电感，还应注意电感的直流阻抗参数，较大的直流阻抗会使得电感上的损耗增多，输出能力下降，一般应选择mΩ级别直流阻抗的电感。电感的电感值对于输出能力大小也影响很大，在电感磁路未饱和的情况下，电感值越小，则输出能力越强。如果整个系统弱电磁干扰，则更应该选择具有磁路闭环的电感，以减小电感工作产生磁场对于系统的干扰。

4.定时电容：定时电容的大小会改变开关管的工作频率，开关速度快则储能电感在未饱和的情况下能够拉出更大的电流。选择定时电容参数时还一定要考虑负载的轻重，相同定时电容的情况下，负载越重则器件开关频率越高，综合考虑后要使得开关频率在100Hz～100kHz之间，越接近100KHz器件的输出电流能力越强。

5.输出电容：输出电容的大小能够有效影响输出信号的纹波，电容越大，输出纹波越小。输出电容大也会使得器件上电瞬间开关管的开关峰值电流增大，可能使得当前状态器件进入限流状态，这时就必须减小限流电阻的大小。当电源电压与输出电压的压差变大时，输出纹波也相应变大，当增大输出电容仍然不能改善输出纹波的情况下，可以通过在输出级后加上一个LC滤波器来减小输出纹波，这时电感仍应该选择直流阻抗小的电感以避免输出损耗。

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应用实例

1.实验目的

将+28V电源电压转换为±15V输出，要求满足输出电流各达到300mA。

2.实验方法

应用HJ35063的降压功能与电压反转功能，使用评估板验证+28V转±15V的功能，再搭配合适参数的外围元器件以使得器件的输出电流各达到300mA且稳定工作。

3.实验过程

（1）分析器件工作原理，选择合适的外围器件。

根据需求输出电流大的特点，限流电阻应设置为较小值0.3Ω左右以避免因输出电流大使得开关峰值电流较大导致器件HJ35063进入限流态而不能正常工作。

二极管也不能选择一般的快速开关二极管，而应选择正向电流能力强、击穿电压较大、导通压降小的肖特基势垒二极管，因为一般的硅pn结二极管其导通压降在0.7V左右，而肖特基势垒二极管导通压降能做到0.3V左右甚至更小，这极大的减小了输出在二极管上的损耗，提高了器件的输出电流能力。

输出电容应选择大电容以减小输出级的纹波，如果纹波仍然较大，可以通过在输出级添加一个LC滤波来减小纹波。

降压功能电路上电感起抑制的作用，即开关频率越低输出能力越强，而电压反转电路上电感起提供输出电流的作用，即开关频率越快输出能力越强。但是在同一个系统内，若两部分的开关频率不一致，在整个系统内容易引起内部电磁干扰。因此为了避免这部分电磁干扰的产生，实验时两电路应选择一样的开关频率进行多次试验，最终挑选出最合适的开关频率。

电感是最重要的外围参数，它的电感值、直流阻抗、额定电流等特性对于器件能否正常工作的影响十分重要。实验时通过使用多种参数元件并进行对照试验并记录数据，再次对外围元器件参数的重要性进行验证。

（2）实验验证并优化参数

结合分析实验时外部元件先使用限流电阻0.25Ω，220μH的功率电感，1500pF的定时电容，续流二极管选择肖特基势垒二极管1N5819，输入、输出电容选择10μF、47μF的钽电容，输出各带上一个50Ω的负载。上电后发现+28V降压转+15V路输出300mA功能正常，而+28V电压反转转-15V路输出异常，此时万用表测量输出电压为-12V且输出电压在缓慢变化减小，即此时电压反转电路表现为输出能力不足。

在分析中增大器件的开关频率能够增强反转功能器件的输出电流能力，而开关频率最大只能设置100KHz且负载的轻重变化会影响器件的开关频率。实验中通过逐级减小定时电容以增大开关频率来试验设置一个接近100KHz的开关频率。当设置定时电容为330pF时，测量带载50Ω时开关频率为87KHz左右，此时上电测试反转电路能够输出-15V，300mA，但是在持续带载工作后发现，-15V开始缓慢下降且检测到此时电源电流达到了300mA左右，计算得到反转电压功能器件的输出功率值与输入功率值比仅为0.5左右，即有将近一般的能量消耗在了系统上。系统的热功耗有将近4W，热功耗严重导致了器件的性能随着温度的升高而下降，使得上电后一开始器件正常工作，而工作一段时间后器件出现了输出能力下降的现象。与之相比计算降压功能器件系统的转换效率为0.73左右，而+15V输出能够一直带载输出正常，对比得到系统的转换效率对于系统能否正常高效工作十分重要。

电压反转电路工作时对各个器件进行测温，发现系统中器件HJ35063的发热最为严重，即上述所说消耗的4W能量都集中消耗在了器件的开关管上。要使得系统正常工作，则器件HJ35063的热功耗必须降下来。

HJ35063的扩展应用中有着将开关管引出在外部的输出扩流应用，只要选择比器件内集成的开关管性能更好的扩流管，则器件的热功耗就能够下降。系统就能正常工作、输出正常稳定。

实验要求开关管电流能力强、开关频率高，因此外接扩流管选择了特征频率高的双极型PNP三极管TIP42，对电路原理进行重新布置测试。

扩流应用图相比于典型应用图都多出了一个扩流管、一个输入电阻和一个发射极-基极偏置电阻，扩流管有着扩大输出电流的能力，基极输入电阻不能过大，电阻过大会使得电流能力减小，影响了器件的工作效率，发射极-基极偏置电阻也不能过高，因其有着泄放电流的能力，使得扩流管能够快速开通和关闭，减小了扩流管的开通时间与关断时间，减小了开通与关闭时扩流管的损耗。

设置好扩流部分后再次进行上电测试，记录数据并计算得到转换效率都得到了提高，触摸器件发现降压电路的扩流管稍有热量，电压反转电路的扩流管发热严重，电感也稍有热量，但器件HJ35063已经感受不到热量，此时-15V，300mA输出正常。

电压反转电路功能虽然正常，但是其输出功率与输入功率的转换效率仍然较低，这使得器件的长期工作能力不能得到保证，还应对外围元件参数进行调试或添加散热装置，以此保证系统能够长期稳定工作。

结合过往实验经验与实验记录数据，发现电感的参数仍然不是十分合适。而HJ35063的应用外部电感电感值越小，输出电流能力越强的特点。且输出大电流时应注意避免电感过小使得发生电感磁饱和的现象。

挑选电感值较小的电感进行试验，实验中发现当电感变小为150μH时，电源电流减小了10mA左右，转换效率得到提高，而电感小于100μH时，电压反转电路输出为-14.5V而不为-15V，这时电感已经磁饱和不能正常工作。应用电桥对电感的直流阻抗进行测量，其直流阻抗测量值为0.5Ω左右，这代表电感自身也有不小的功耗，应该使用直流阻抗更低的电感来进行试验。电感阻抗要求达到毫欧级，一般为铁芯绕线电感，且绕线越粗越短则直流阻抗越低，且要保证电感值在100μH以上以避免电感磁饱和。使用绕线丝0.7mm绕成的电感，对其直流阻抗进行测量仅为70mΩ，电感值为160μH，对原电感进行替换后测量计算转换效率再次得到了提高。

4.实验结论

经过电路原理图的改良与外围元器件参数的改善，最终完成了+28V转±15V，输出电流300mA的要求，且器件能够做到长期稳定工作。

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