鉅大LARGE | 點擊量：1425次 | 2019年12月27日
L4970A在大功率集成開關電源原理與應用
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。
1.1L4970A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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.2PWM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
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
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。
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。
