摘要： 介紹L4970A 大功率單片集成開關電源芯片的內部結構、電路特點、工作原理和應用電路。

L4970A 系列大功率單片集成開關電源是ST 公司繼L4960 系列之后推出的第二代產品。電路的特點是：采用DMOS 開關功率管、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 范圍內連續(xù)可調;通過自舉電容可獲得大電流輸出;利用掉電復位電路能實時地向微機發(fā)出信號，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：引腳序號適用于L4970A/ 4975A/ 4977A) 。其內部功能電路主要包括基準電壓源，鋸齒波發(fā)生器，內置40kHz 振蕩器，欠壓檢測與過熱保護電路，誤差放大器，比較器，PWM鎖存器， 或非門， 觸發(fā)器(由兩級或門構成) , 驅動級，DMOS 開關功率管， 限流比較器， 軟啟動電路， 掉電復位電路。其中內部基準電壓源能輸出兩路基準電壓，一路是VREF = 5. 1V ,供設定輸出電壓V0 值用;另一路為VSTART = 12V ,它與自舉電路相配合，可將驅動級的電源電壓提升12V。誤差放大器的開環(huán)電壓增益AVO> 60dB ,電源電壓抑制比PMRR = 80dB ,輸入失調電壓為2mV。

圖1 　L4970A 原理框圖

1. 1 　L4970A 系列的導通閾值電壓

導通閾值電壓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 開關功率管提供足夠大的驅動電壓，采用了自舉升壓方式。利用內部的12V 基準電壓源將自舉電容Cb 充電到12V ,疊加到驅動級電源上，使之提升到( VI + 12V) 。DMOS 功率管的開關時間為50ns ,能在200kHz 高頻下正常工作，其峰值驅動電流約為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 基準電壓進行比較，產生誤差電壓Vr ;再將Vr 與鋸齒波電壓VJ 作比較，獲得固定頻率的脈沖調制信號，經驅動級驅動DMOS 功率管，最后利用由L 、VD、C 構成的降壓式輸出電路，得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖1 中，將同步輸入信號加到鋸齒波發(fā)生器上，目的是提供一個前饋信號，使器件在很寬的輸入電壓范圍內具有良好的穩(wěn)壓性能。下面重點介紹限流電路及復位和掉電電路的工作原理。軟啟動電路的原理與L4960 完全相同。

1. 3 　限流保護電路

限流保護電路由限流取樣電阻RS (芯片內部的金屬絲電阻) 和限流比較器所組成。當輸出電流超過最大限流值ISM (L4970A 為13A) 時，限流比較器就輸出高電平，將觸發(fā)器置1 ,再經過或非門變成低電平，使驅動級和DMOS 功率管截止。僅當內部40kHz 振蕩器的時鐘脈沖CL1 來到時，才能把觸發(fā)器置O ,DMOS 管重新導通。發(fā)生過載后，保護電路可使L4970A 系列保持恒定的電流輸出， 并且把開關頻率從正常時的200kHz 降至40kHz ,保護芯片不受損壞。

1. 4 　掉電復位電路

L4970A 系列的導通閾值電壓VON = 11V ,也是輸入電壓的最小極限值;關斷閾值電壓VOFF = 10V。利用接在VI 端、復位輸入端和GND 之間的電阻分壓器，可以設定復位輸入端的電壓閾值電壓VRH ,使VRH = 5V ,并且由它來決定輸入電壓閾值VIL 。通常上電后當VI升至VIL時，復位輸出端需經過一段延遲時間才變成高電平，延遲時間由Cd 來設定。當輸入端發(fā)生掉電故障且VI 降至VOFF時，復位輸出端立即變成低電平。另外，當輸出端發(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，復位輸出也變成低電平。因此，L4970A 系列特別適合作為微機系統(tǒng)的電源。一旦出現VI 過低( VI < VOFF = 10V) 或者V0 過低( V0 < 5V) 的故障，復位輸出端立即產生信號，使微處理器復位或進入掉電保護狀態(tài)。

2 　應用電路

2. 1 　典型應用電路

L4970A 的典型應用電路如圖2 所示。

圖2 　L4970A 的典型應用電路[!--empirenews.page--]

圖中，C1 為輸入端濾波電解電容(6800μF/50V) ,而R1 (30k) 和R2 (10k) 構成復位輸入端的電阻分壓器，用以設定VRL值。C2 、C3(均為2. 2μF) 分別為驅動級啟動端和VREF端的濾波電容。C4 (2. 2μF) 是軟啟動電容，C5 (2. 2μF) 是復位延遲電容。誤差放大器的頻率補償網絡由C6(0. 022μF) 、R3 (15k) 組成，C8 (390p) 用作高頻補償。R4 (16k) 、C7 (2200p) 為定時電阻和定時電容。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管，內含兩只相同的肖特基管，使用時僅用一只，另一只作備用管。由C10 (2200p) 和R5 (22k) 構成吸收網絡，用以限制儲能電感L (40μH) 在內部開關功率管關斷瞬間產生的尖峰電壓峰值及其上升速率，保護開關功率管及續(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) 是復位輸出端內部晶體管的集電極電阻。輸出端的電阻分壓器由R7 和R8 構成，輸出電壓由下式確定：

該電路設計為VI = 35V ,V0 根據R7 和R8 阻值可獲得40V 以下的輸出電壓，輸出電流I0 = 10A。TP1～TP4 為測試點，可用示波器分別觀察復位輸出、同步信號、誤差電壓、鋸齒波電壓的波形。

2. 2 　其他應用電路

2. 2. 1 　固定輸出電路

由L4970A 構成的5. 1V/ 10A 固定輸出開關電源電路如圖3 所示。

圖3 　5. 1V/ 10A 開關電源

2. 2. 2 　從0V 起調的可調輸出電路

能輸出0～25V、10A 的開關電源如圖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 也就從原來的5. 1～30V 變成0～25V。該電源的最大特點是輸出電壓能從0V 起調，這是常規(guī)方法所難以實現的。

圖4 　0～25V、10A 的開關可調電源

3 　結束語

大功率單片集成開關穩(wěn)壓電路的使用，使開關電源整機使用元件大為減少，直接提高了開關電源的性能及可靠性。隨著這種電源電路使用的普及，開關電源技術和性能將會產生一個新的飛躍。