L4970A大功率單片集成開(kāi)關(guān)電源原理與應(yīng)用

摘要： 介紹L4970A 大功率單片集成開(kāi)關(guān)電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用電路。

L4970A 系列大功率單片集成開(kāi)關(guān)電源是ST 公司繼L4960 系列之后推出的第二代產(chǎn)品。電路的特點(diǎn)是：采用DMOS 開(kāi)關(guān)功率管、混合式CMOS/ 雙極型晶體管等集成電路制造新工藝研制而成;輸出電壓在5. 1V～40V 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);通過(guò)自舉電容可獲得大電流輸出;利用掉電復(fù)位電路能實(shí)時(shí)地向微機(jī)發(fā)出信號(hào)，監(jiān)視系統(tǒng)電源的工作狀態(tài)。

1 　工作原理

L4970A 的原理框圖如圖1 所示(注：引腳序號(hào)適用于L4970A/ 4975A/ 4977A) 。其內(nèi)部功能電路主要包括基準(zhǔn)電壓源，鋸齒波發(fā)生器，內(nèi)置40kHz 振蕩器，欠壓檢測(cè)與過(guò)熱保護(hù)電路，誤差放大器，比較器，PWM鎖存器， 或非門(mén)， 觸發(fā)器(由兩級(jí)或門(mén)構(gòu)成) , 驅(qū)動(dòng)級(jí)，DMOS 開(kāi)關(guān)功率管， 限流比較器， 軟啟動(dòng)電路， 掉電復(fù)位電路。其中內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源能輸出兩路基準(zhǔn)電壓，一路是VREF = 5. 1V ,供設(shè)定輸出電壓V0 值用;另一路為VSTART = 12V ,它與自舉電路相配合，可將驅(qū)動(dòng)級(jí)的電源電壓提升12V。誤差放大器的開(kāi)環(huán)電壓增益AVO> 60dB ,電源電壓抑制比PMRR = 80dB ,輸入失調(diào)電壓為2mV。

圖1 　L4970A 原理框圖

1. 1 　L4970A 系列的導(dǎo)通閾值電壓

導(dǎo)通閾值電壓VON = 11V ,并有1V 的滯回電壓。為保證芯片能可靠工作， 要求最低輸入電壓VL>11V ,一般取VImin15V。為了給DMOS 開(kāi)關(guān)功率管提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，采用了自舉升壓方式。利用內(nèi)部的12V 基準(zhǔn)電壓源將自舉電容Cb 充電到12V ,疊加到驅(qū)動(dòng)級(jí)電源上，使之提升到( VI + 12V) 。DMOS 功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間為50ns ,能在200kHz 高頻下正常工作，其峰值驅(qū)動(dòng)電流約為0. 5A。

1. 2 　PWM控制環(huán)路

PWM控制環(huán)路的工作原理是：首先把反饋輸入電壓與5. 1V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓Vr ;再將Vr 與鋸齒波電壓VJ 作比較，獲得固定頻率的脈沖調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)驅(qū)動(dòng)DMOS 功率管，最后利用由L 、VD、C 構(gòu)成的降壓式輸出電路，得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖1 中，將同步輸入信號(hào)加到鋸齒波發(fā)生器上，目的是提供一個(gè)前饋信號(hào)，使器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)壓性能。下面重點(diǎn)介紹限流電路及復(fù)位和掉電電路的工作原理。軟啟動(dòng)電路的原理與L4960 完全相同。

1. 3 　限流保護(hù)電路

限流保護(hù)電路由限流取樣電阻RS (芯片內(nèi)部的金屬絲電阻) 和限流比較器所組成。當(dāng)輸出電流超過(guò)最大限流值ISM (L4970A 為13A) 時(shí)，限流比較器就輸出高電平，將觸發(fā)器置1 ,再經(jīng)過(guò)或非門(mén)變成低電平，使驅(qū)動(dòng)級(jí)和DMOS 功率管截止。僅當(dāng)內(nèi)部40kHz 振蕩器的時(shí)鐘脈沖CL1 來(lái)到時(shí)，才能把觸發(fā)器置O ,DMOS 管重新導(dǎo)通。發(fā)生過(guò)載后，保護(hù)電路可使L4970A 系列保持恒定的電流輸出， 并且把開(kāi)關(guān)頻率從正常時(shí)的200kHz 降至40kHz ,保護(hù)芯片不受損壞。

1. 4 　掉電復(fù)位電路

L4970A 系列的導(dǎo)通閾值電壓VON = 11V ,也是輸入電壓的最小極限值;關(guān)斷閾值電壓VOFF = 10V。利用接在VI 端、復(fù)位輸入端和GND 之間的電阻分壓器，可以設(shè)定復(fù)位輸入端的電壓閾值電壓VRH ,使VRH = 5V ,并且由它來(lái)決定輸入電壓閾值VIL 。通常上電后當(dāng)VI升至VIL時(shí)，復(fù)位輸出端需經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間才變成高電平，延遲時(shí)間由Cd 來(lái)設(shè)定。當(dāng)輸入端發(fā)生掉電故障且VI 降至VOFF時(shí)，復(fù)位輸出端立即變成低電平。另外，當(dāng)輸出端發(fā)生掉電故障(包括瞬間電壓跌落故障) ,并且V0 < 5V(正常值為5. 1V)時(shí)，復(fù)位輸出也變成低電平。因此，L4970A 系列特別適合作為微機(jī)系統(tǒng)的電源。一旦出現(xiàn)VI 過(guò)低( VI < VOFF = 10V) 或者V0 過(guò)低( V0 < 5V) 的故障，復(fù)位輸出端立即產(chǎn)生信號(hào)，使微處理器復(fù)位或進(jìn)入掉電保護(hù)狀態(tài)。

2 　應(yīng)用電路

2. 1 　典型應(yīng)用電路

L4970A 的典型應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 　L4970A 的典型應(yīng)用電路[!--empirenews.page--]

圖中，C1 為輸入端濾波電解電容(6800μF/50V) ,而R1 (30k) 和R2 (10k) 構(gòu)成復(fù)位輸入端的電阻分壓器，用以設(shè)定VRL值。C2 、C3(均為2. 2μF) 分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)啟動(dòng)端和VREF端的濾波電容。C4 (2. 2μF) 是軟啟動(dòng)電容，C5 (2. 2μF) 是復(fù)位延遲電容。誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由C6(0. 022μF) 、R3 (15k) 組成，C8 (390p) 用作高頻補(bǔ)償。R4 (16k) 、C7 (2200p) 為定時(shí)電阻和定時(shí)電容。C9(0. 22μF) 為自舉電容。VD 是續(xù)流二極管， 采用MBR2080 肖特基整流二極管，這種管子屬于共陰對(duì)管，內(nèi)含兩只相同的肖特基管，使用時(shí)僅用一只，另一只作備用管。由C10 (2200p) 和R5 (22k) 構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制儲(chǔ)能電感L (40μH) 在內(nèi)部開(kāi)關(guān)功率管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓峰值及其上升速率，保護(hù)開(kāi)關(guān)功率管及續(xù)流二極管不受損壞。C11～C13 (均為220μF/ 40V) 為輸出端濾波電容，相并聯(lián)能使其等效電感大為降低。R6(4. 7k) 是復(fù)位輸出端內(nèi)部晶體管的集電極電阻。輸出端的電阻分壓器由R7 和R8 構(gòu)成，輸出電壓由下式確定：

該電路設(shè)計(jì)為VI = 35V ,V0 根據(jù)R7 和R8 阻值可獲得40V 以下的輸出電壓，輸出電流I0 = 10A。TP1～TP4 為測(cè)試點(diǎn)，可用示波器分別觀察復(fù)位輸出、同步信號(hào)、誤差電壓、鋸齒波電壓的波形。

2. 2 　其他應(yīng)用電路

2. 2. 1 　固定輸出電路

由L4970A 構(gòu)成的5. 1V/ 10A 固定輸出開(kāi)關(guān)電源電路如圖3 所示。

圖3 　5. 1V/ 10A 開(kāi)關(guān)電源

2. 2. 2 　從0V 起調(diào)的可調(diào)輸出電路

能輸出0～25V、10A 的開(kāi)關(guān)電源如圖4 所示，這里巧妙地利用一片三端集成穩(wěn)壓器7905 提供的- 5V電壓，將L4970A 的GND 端電位拉成- 5V ,V0 也就從原來(lái)的5. 1～30V 變成0～25V。該電源的最大特點(diǎn)是輸出電壓能從0V 起調(diào)，這是常規(guī)方法所難以實(shí)現(xiàn)的。

圖4 　0～25V、10A 的開(kāi)關(guān)可調(diào)電源

3 　結(jié)束語(yǔ)

大功率單片集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的使用，使開(kāi)關(guān)電源整機(jī)使用元件大為減少，直接提高了開(kāi)關(guān)電源的性能及可靠性。隨著這種電源電路使用的普及，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和性能將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的飛躍。