L4960单片开关电源设计

设计斩波式变换器。
关键词：开关电源；ＤＣ／ＤＣ变换器；单片开关集成稳压器；ＩＡ９６０
中图分类号：ＴＰ３６８．１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００７）１２—０２９—０３
Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌ４９６０ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ
ＺＨＥＮＧ Ｙａｏｔｉａｎ （Ｈａｎｓｈａｎ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｏｚｈｏｕ，５２１０４１，Ｃｈｉｎａ）
源，其电源效率可达９０％以上。由于他把开关电源所需 要的基准电压源ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ锯齿波发生器、脉宽调制器、功率输出级 （即开关功率管）和各种保护电路全部集成在同一芯片中， 实现了单片集成化。
单片开关式集成稳压器的主要生产厂家是意一法半导 体有限公司。该公司于２０世纪８０年代中期首先推出了 第一代产品有：ＩＡ９６０，Ｌ４９６２，１．２９６，Ｌ４９６４。在２０世纪９０ 年代又开发出的第二代产品包括：Ｌ４９７０／Ｉ。４９７０Ａ，１．４９７２／ ４９７２Ａ／４９７２ＡＤ，ＩＡ９７４／４９７４Ａ，ＩＡ９７５／４９７５Ａ，Ｌ４９７７／ ４９７７Ａ。上述产品中以１．４９７０和ＩＡ９７０Ａ的输出功率为最 大，最大输出电流为１０ Ａ，输出功率可达４００ Ｗ。
Ｌ４９６０单片开关电源设计
郑耀添
（韩山师范学院广东潮州
５２１０４１）
摘 要：现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的串联稳压器，调整管总是工作在
放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差、效率低。介绍了开关电源的基本构成以及开 关电源的核心部分——功率变换器的基本类型，重点介绍了单片开关集成稳压器Ｌ４９６０的内部结构、工作原理并利用１．４９６０
１开关电源的基本构成
开关电源基本电路框图¨３如图１所示。图１中输入 电路的作用是将交流输入电压整流滤波成为较平滑的直 流高电压；功率变换器的作用是将直流高电压变换为频率 较大的高频脉冲电压；整流电路及滤波电路的作用是将高 脉冲电压转为稳定的直流输出电压；开关电源控制器的作 用是将输出直流电压进行取样，控制功率开关器件的驱动 脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｎｏｗａｄａｙｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｅｒｉｅｓ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎｏｌ ｓｅ— ｒｉｅｓ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ｉｔｓ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ａｌｗａｙｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ａｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ａｒｅ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｏｖｅｒｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｉｎｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｌ４９６０，ｔｈｅ ｃｈｏｐｐｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ １．４９６０．
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器由取样反馈电阻Ｒ。，Ｒ。构成，Ｒ３值可取２～４．７ ｋＱ。
有关系式：
Ｒ。
ＶＲＥＦ
ｕ一半×Ｖ孵Ｋ— 一（ｖ１。＋一意Ｖ肼’×５·１ Ｖ （１）
图３ Ｌ４９６０的原理框图
图４ Ｌ４９６０应用典型电路
Ｄ
利用式（１）不难算出，当Ｒ一０时Ｕ一５．１ Ｖ；当Ｉｉｌｋ３一 ｎ４
输入端必须接容量为２ ２００～４ ７００弘Ｆ的滤波电容 Ｃ，，以滤除输入电压中的纹波，否则芯片不能正常工作，稳 压器无输出。Ｃ，的容量可按下列经验公式进行估算ｎ］：
万方数据
邕堑型丞量鲑璺
Ｃ．一ｆ。。×ｌ ０００ ｐＦ／Ａ 即每输出１ Ａ的电流就对应于１ ０００ ｐＦ的电容量。当Ｊ。。 一２．５ Ａ时，Ｃ。＝２ ５００弘Ｆ。取３ ３００ ｐＦ或４ ７００ ｐＦ的标 称容量即可。Ｃ】的容量稍大些，滤波效果更好。
单片开关式集成稳压器均属于低压直流电源变换器， 适于制作低压（５．１～４０ Ｖ）、大中功率（４００ Ｗ以下）、大电 流（１．５～１０ Ａ）开关电源。为降低成本，他们都不用高频 变压器，而是利用储能电感Ｌ、滤波电容Ｃ和续流二极管 ＶＤ组成降压式电路，进行电压转换。此外，通过调整取 样电阻可以连续改变输出电压，这是其他类型开关电源所
６．８时，Ｖｏ一４０ Ｖ。现取可调电阻Ｒ。一３３ ｋＱ，固定电阻
Ｄ
Ｒ４—４．７ ｋＱ。此时Ｉ可ｘ３—７．０，调整Ｒ４即可使Ｕ从５．１ Ｖ连
』、ｄ
续变化到４０ Ｖ。此外，还可取Ｒ一１５ ｋＱ，Ｒ一２．２ ｋＱ。 该电路在交流电压为２２０ Ｖ±１５％（１８７～２５３ Ｖ），Ｖ。一 ５．１ Ｖ，／ｏ一１ Ａ时，输出纹波电压的峰值△ｙ全１５ ｍＶ。当 输入电压不变，△Ｋ一５．１ Ｖ，Ｉｏ一１～２ Ａ时，△ｖ＿Ａｌｏ ｍＶ。 ３．４ Ｃ。的选用
电容Ｃ，使其等效电感显著降低。 ３．７ 续流二极管ＶＤ的选用［２１
续流二极管是构成降压式输出
电路的关键器件。由于他工作在高频大电流的条件下，因
此需采用反向恢复时间极短的快恢复二极管、超快恢复二
极管，或者肖特基二极管。他们均属于新型电力电子半导
体器件。
快速恢复二极管和超快恢复二极管具有适中的和较高
的正向压降，其范围是从０．８～１．２ Ｖ。这两种续流管还具 有较高的截止电压参数。因此，他们适用在输出小功率，电
收稿日期：２００７—０３—１２
万方数据
定。从框图中可见，由于用高频变压器取代了笨重的工频 （５０ Ｈｚ）变压器，从而使稳压源的体积和重量大为减小。
：｝俞入回路ＡＣ／ＤＣ
Ｉ………～…一－…………一ｊ…………－二
ｉ功率变换器ＤＣ／ＤＣ
图１ 开关电源基本电路框图 功率变换电路是开关电源电路的核心部分，主要由开 关电路和变压器组成。开关电源采用功率半导体器件作 为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空 比来调整输出电压。开关晶体管要采用开关速度高、导通 和关断时问短的晶体管，最典型的功率开关晶体管、功率 场效应管和绝缘型双极型晶体管等瞳］。控制方式分为脉 宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等，其中最常用的 是脉宽调制方式。功率变换电路分为非绝缘型、绝缘型和 谐振型等；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁 氧体磁芯或非晶合金磁芯。 ２ ＤＣ／ＤＣ变换器的基本类型
３０
万方数据
不具备的。由于他们的输入直流电压必须在４６～５５ Ｖ （极限）以下，因此要加高频变压器及输入整流滤波电路。 ３．２ Ｌ４９６０工作原理
表２ Ｌ４９６０单片开关式集成稳压器的性能指标［４］
Ｄ／％Ｔｍ／６Ｃ荽萋删 型号ｙｉ／Ｖ蹦Ｖ ｌｏｒｅ／Ａ Ｐｏｒｅ／ｗ Ｆｍａｘ／ｋＨｚ
图２上的长引线表示后排管脚，短引线代表前排管脚 （从器件的正面观察）。前后两排管脚是互相错开排列的， 这既不同于普通单列直插式，也区别于双列直插式。塑料 管壳上的小金属散热板与地连通，板上开有螺钉孔，以便 固定在大散热器上。图２中，第２脚为反馈端，通过电阻 分压器（取样电阻），可将输出电压的一部分反馈到误差放 大器。第３脚是补偿端，该端与误差放大器的输出端连 通，其作用是利用外部阻容元件对误差放大器进行频率补 偿。第５脚接定时电阻与定时电容，以决定开关频率。第 ６脚为软启动端，需外接软启动电容，对芯片起到保护 作用。
３．５ 工作频率的确定与储能电感Ｌ。的选用
振荡频率即开关频率，由下式确定：
＾一志
式中，Ｒ：的取值范围是１～２７ ｋＱ，一般取
４．３ ｋ０。Ｃ２的容量范围是１ ０００～３ ３００ ｐＦ。当
地１００ ｋＨｚ时，Ｒ：可取４．３ ｋｎ，Ｃ２可取
２ ２００ ｐＦ。储能电感Ｌ，的电感量与所设计的Ｖ。，
Ｕ，，及纹波电流值△Ｊ。有关。
励
式 （无控制）
表１中的非隔离方式的直流输入与直流输出有一部 分连在一起，而对于隔离方式输入与输出是分离隔开的。 自励式是用主开关部分进行振荡的工作方式，而他励式是 由其他电路产生振荡的工作方式，与振荡信号同步控制主 开关通／断工作。
３斩波式变换器的设计
３．１ 单片开关式集成稳压器的介绍 单片开关式集成稳压器被誉为新型高效节能稳压电
压在１２ Ｖ左右的辅助电源电路中应用。在此电路中续流
ｏ
》《
９ ｒ】口ｆ］０ ｆ］０ 爻嚣毽地。ＲＴＴ警营
动
图２ Ｌ４９６０的管脚排序图 图３为ＩＡ９６０的原理框图。主要包括６部分：５．１ Ｖ 基准电压源与误差放大器；锯齿波发生器；ＰＷＭ比较器 和功率输出级；软启动电路；输出限流保护电路；芯片过热 保护电路。 ＩＡ９６０的基本工作过程是：输出电压Ｕ经Ｒ，Ｒ４取 样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端 的５．１ Ｖ基准电压进行比较，得到误差电压Ｖ，，再用Ｖ，的 幅度控制ＰＷＭ比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放 大器和降压式输出电路，使Ｕ保持不变。 ３．３ Ｌ４９６０应用电路的设计 １．４９６０的应用典型电路如图４所示。 交流２２０ Ｖ电压经过１００ ＶＡ的工频变压器降压，再 经过桥式整流和滤波，得到直流电压Ｖ。，作为Ｌ４９６０的输 入电压。当输出电压直接与第２脚接通形成闭环时，稳压 值Ｖｏ一５．１ Ｖ，可近视为５ Ｖ。当输出电压经过电阻分压 器接第２脚而形成闭环时，Ｕ值就取决于分压比。分压
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｓｗｉｔｃｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍａｎｏｓｔａｔ；Ｌ４９６０
目前空间技术、计算机、通讯、雷达、电视机及家用电 器中的电源逐渐被开关电源取代。现在一般应用的串联 调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的 串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连 续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效 率低，一般只有３５％～６０％。由于调整管上损耗较大的 功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热 器。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效 率可高达７０％～９５％，稳压器体积小，重量轻，调整管功 率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在 几十千赫兹。滤波电感、电容可用较小数值的元件。允许 的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制 电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所 以开关电源的应用也受到一定限制。
表１ ＤＣ／Ｄｃ变换器的类型［３］
变换方式
输入输出隔离
控制方式
斩波 方式
降压型 升压型 升降压型
回扫方式 正向激励方式
推挽方式 半桥式 全桥式
ＲＣＣ方式 （振铃扼流变换方式）
ＲＯＹＥＲ方式 （洛埃耶方式） ＲＯＹＥＲ改进方式
单管式
多管式 单管式 多管式
非隔离
他励式 （脉宽调制 或脉频调制）
隔离
自
（频率）
ＤＣ／ＤＣ变换器是开关电源的核心部分，他是一种控 制开关Ｓ通／断时间的比例，用电抗器与电容器蓄积能量
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的元件。对断续的波形进行平滑处理，从而更有效地调整 功率流的电路。ＤＣ／ＤＣ变换器的基本类型如表１所示， 按输入／输出的隔离方式分有隔离方式与非隔离方式；按 开关的控制方式分有自励式与他励式，以及脉宽调制、脉 频调制与幅度调制等多种方式。
（Ｖｌ—Ｖ。）Ｖｏ［：Ｉ］ Ｌ１一 Ｖ，厂２△Ｊｆ。
Ｌ。的范围大致是５０～３００ ｐＨ，典型值为 １５０ ｐＨ。因为储能电感Ｌ，工作在高频大电流状
态，为防止发生磁饱和现象，导致开关功率管损
坏，必须采用特制的高频电感。
３．６ Ｃ。，Ｇ的选用
滤波电容的容量由下式确定：
Ｃ＝ （Ｖ１一Ｖｏ）Ｖｏ‘３］
（２）
８Ｌ。尸ＡＶ
例如取Ｖｌ一１６ Ｖ，Ｖｏ一５．１ Ｖ，ｆ一
苫：１００ ｋＨｚ，Ｌ１ —１５０ ｐＨ，△Ｖ一
１０ ｍＶ，代入式（２）得到Ｃ一４６３弘Ｆ。
实取４４０弘Ｆ。考虑到Ｌ．的电感很小， 而４４０弘Ｆ电解电容器的等效电感Ｌ。
与Ｌ．直接串联，会影响Ｌ。的正常工
作，实际上可选两只２２０弘Ｆ标称容
量的电解电容Ｃ５和Ｃ６并联成滤波