L4970A大功率单片集成开关电源原理与应用_杨碧石

收稿日期:2003-08

作者简介:杨碧石(1961 )男,副教授,主要从事电子技术和数字逻辑系统的设计理论与实验教学工作。

L4970A 大功率单片集成开关电源原理与应用

杨碧石

(南通职业大学电子工程系,江苏南通266007)

摘要:介绍L4970A 大功率单片集成开关电源芯片的内部结构、电路特点、工作原理和应用电路。

关键词:开关电源;应用电路;集成电路

中图分类号:TM44 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2004)01-0055-02

L4970A High power Single chip Integrated Switch power s Principle and Application

YANG Bi shi

(Nantong Vocational College,Nantong 226007,Chi na)

Abstract:In this paper,L4970A s internal structure,circui t characteristic,work principle and applicati on circuits are introduced.Key words:s witch power;application circuit;IC

L4970A 系列大功率单片集成开关电源是ST 公司继L4960系列之后推出的第二代产品。电路的特点是:采用DMOS 开关功率管、混合式C MOS/双极型晶体管等集成电路制造新工艺研制而成;输出电压在5.1V ~40V 范围内连续可调;通过自举电容可获得大电流输出;利用掉电复位电路能实时地向微机发出信号,监视系统电源的工作状态。1 工作原理

L4970A 的原理框图如图1所示(注:引脚序号适用于L4970A/4975A/4977A)。其内部功能电路主要包括基准电压源,锯齿波发生器,内置40kHz 振荡器,欠压检测与过热保护电路,误差放大器,比较器,PWM 锁存器,或非门,触发器(由两级或门构成),驱动级,DMOS 开关功率管,限流比较器,软启动电路,掉电复

图1 L4970A 原理框图

位电路。其中内部基准电压源能输出两路基准电压,一路是V REF =5.1V,供设定输出电压V 0值用;另一路为V S TART =12V,它与自举电路相配合,可将驱动级的电源电压提升12V 。误差放大器的开环电压增益A VO >60dB,电源电压抑制比PMRR =80dB,输入失调电压为2mV 。

1.1 L4970A 系列的导通阈值电压

导通阈值电压V ON =11V,并有1V 的滞回电压。为保证芯片能可靠工作,要求最低输入电压V IL >11V,一般取V Im i n 15V 。为了给DMOS 开关功率管提供足够大的驱动电压,采用了自举升压方式。利用内部的12V 基准电压源将自举电容C b 充电到12V,叠加到驱动级电源上,使之提升到(V I +12V)。DMOS 功率管的开关时间为50ns,能在200kHz 高频下正常工作,其峰值驱动电流约为0.5A 。

1.2 PWM 控制环路

PW M 控制环路的工作原理是:首先把反馈输入电压与5.1V 基准电压进行比较,产生误差电压V r ;再将V r 与锯齿波电压V J 作比较,获得固定频率的脉冲调制信号,经驱动级驱动DMOS 功率管,最后利用由L 、VD 、C 构成的降压式输出电路,得到稳定的输出电压。图1中,将同步输入信号加到锯齿波发生器上,目的是提供一个前馈信号,使器件在很宽的输入电压范围内具有良好的稳压性能。下面重点介绍限流电路及复位和掉电电路的工作原

55 2004年第1期仪表技术

理。软启动电路的原理与L4960完全相同。1.3 限流保护电路

限流保护电路由限流取样电阻R S (芯片内部的金属丝电阻)和限流比较器所组成。当输出电流超过最大限流值I SM (L4970A 为13A)时,限流比较器就输出高电平,将触发器置1,再经过或非门变成低电平,使驱动级和DMOS 功率管截止。仅当内部40kHz 振荡器的时钟脉冲CL 1来到时,才能把触发器置O,DMOS 管重新导通。发生过载后,保护电路可使L4970A 系列保持恒定的电流输出,并且把开关频率从正常时的200kHz 降至40kHz,保护芯片不受损坏。1.4 掉电复位电路

L4970A 系列的导通阈值电压V ON =11V,也是输入电压的最小极限值;关断阈值电压V OFF =10V 。利用接在V I 端、复位输入端和GND 之间的电阻分压器,可以设定复位输入端的电压阈值电压V RH ,使V RH =5V,并且由它来决定输入电压阈值V IL 。通常上电后当V

I 图3 5.1V/10A 开关电源

升至V I L 时,复位输出端需经过一段延迟时间才变成高电平,延迟时间由C d 来设定。当输入端发生掉电故障且V I 降至V OF F 时,复位输出端立即变成低电平。另外,当输出端发生掉电故障(包括瞬间电压跌落故障),并且V 0<5V(正常值为5.1V)时,复位输出也变成低电平。因此,L4970A 系列特别适合作为微机系统的电源。一旦出现V I 过低(V I

使微处理器复位或 图4 0~25V 、10A 的开关可调电源

进入掉电保护状态。2 应用电路2.1 典型应用电路

L4970A 的典型应用电路如图2所示。图中,C 1为输入端滤波电解电容(6800 F/50V),而R 1(30k)和R 2(10k)构成复位输入端的电阻分压器,用以设定V RL 值。C 2、C 3(均为2.2 F)分别为驱动级启动端和V REF 端的滤波电容。C 4(2.2 F)是软启动电容,

图2 L4970A 的典型应用电路

C 5(2.2 F)是复位延迟电容。误差放大器的频率补偿网络由C 6(0.022 F)、R 3(15k)组成,C 8(390p)用作高频补

偿。R 4(16k)、C 7(2200p)为定时电阻和定时电容。C 9(0.22 F)为自举电容。VD 是续流二极管,采用MB R2080肖特基整流二极管,这种管子属于共阴对管,内含两只相同的肖特基管,使用时仅用一只,另一只作备用管。由C 10(2200p)和R 5(22k)构成吸收网络,用以限制储能电感L(40 H)在内部开关功率管关断瞬间产生的尖峰电压峰值及其上升速率,保护开关功率管及续流二极管不受损坏。C 11~C 13(均为220 F/40V)为输出端滤波电容,相并联能使其等效电感大为降低。R 6(4.7k)是复位输出端内部晶体管的集电极电阻。输出端的电阻分压器由R 7和R 8构成,输出电压由下式确定:

V 0=

1+

R 7

R 8

5.1V 该电路设计为V I =35V,V 0根据R 7和R 8阻值可获得40V 以下的输出电压,输出电流I 0=10A 。TP1~

TP4为测试点,可用示波器分别观察复位输出、同

步信号、误差电压、锯齿波电压的波形。2.2 其他应用电路

2.2.1 固定输出电路

由L4970A 构成的5.1V/10A 固定输出开关电源电路如图3所示。

2.2.2 从0V 起调的可调输出电路

能输出0~25V 、10A 的开关电源如图4所示,

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