一种基于L4970A的双路10A输出的开关稳压电源的设计

1 引言  

由于开关稳压电源具有体积小、重量轻、高效节能、输入电压范围宽、适应范围广、保护功能全等特点,已广泛应用于电子产品的各个领域。在此给出一种基于L4970A芯片实现的具有双路10A输出的电压可调型开关稳压电源。  

L4970A大功率PWM开关稳压电源芯片是意法公司(SGS－Thomson)的第二代新品,它的最大特点是直接输出10A大电流、具有过流过热软起动等完备的保护功能,因而用它实现的电源简单可靠。下面首先给出该芯片的主要性能特点、封装和关键外围元件参数选择等,重点介绍由该芯片实现的双路10A输出电压可调的开关稳压电源工作原理、具体电路、调试安装和注意事项等。


  
2 L4970A简介  

2.1 主要性能指标和特点  

L4970系列是意法公司继L4960系列之后新推出的单片开关式稳压器。它是采用DMOS开关功率管、混合式CMOS、双极型晶体管等集成电路制造新工艺研制而成,L4970A是其中的代表。  

其主要性能特点如下：  

(1)输出电流大,最大可达10A,适宜制作200～400W大功率单片开关稳压电源。  
(2)开关频率高,可达400kHz,常选200kHz(允许±20kHz偏差),从而提高电源效率,减小滤波电感体积。  
(3)输入输出压差低,可降到1.1V左右,自身耗能低,电源效率高。对于Ui=50V,Uo=40V,Io=10A的电源,效率可达92.5％。  
(4)输入电压范围宽,正常值（15～50）V,极限值为（11～55）V。输出电压控制灵活,可在（5.1～40）V范围内连续调整。若直接从U0反馈,可得到固定5.1V输出。典型电压调整率SV=5mV,负载调整率SI=15mV,输出纹波ΔU=30mV,纹波抑制比为60dB。最大限流值由内部电路限定。  
(5)除软起动、限流保护、过热保护等完善的保护电路外,还增加了欠压锁定、PWM锁存、掉电复位等电路。  
(6)误差放大器开环增益大于60dB,电源电压抑制比PMRR=80dB,输入失调电压2mV。  

2.2 管脚功能  

L4970A采用SIP－15封装,管脚排列如图1所示,内部原理框图如图2所示。各管脚功能如下：  


  
1脚和2脚：分别接锯齿波振荡器外部定时电阻RT和电容CT。
3脚：复位输入端,接内部复位和掉电电路,此端电压需设定成5.1V,可通过电阻分压器接Ui或Uo,监视Ui或Uo是否掉电。若不用,须经30kΩ电阻接15脚。  
4脚：复位输出端,集电极开路输出,常态下输出呈高电平,当Ui5脚：复位延迟端,外接复位电容Cd,以决定复位信号的延迟时间。  
6脚：自举端,经自举电容Cb接至Uo,可提升功率驱动级的电压,增加驱动DMOS开关功率管的能力,获得大电流输出。  
7脚：输出端Uo,固定输出5.1V,可调输出时需外接电阻分压器给11脚。  
8脚：公共地GND与小散热器连接。  
9脚：输入端Ui。  
10脚：频率补偿端,外接RC网络,对误差放大器进行补偿。  
11脚：反馈输入端,直接接Uo时输出电压Uo为固定5?1V,如果经分压器时Uo可获得40V以下的输出电压。  
12脚：软起动端,外接起动电容Cs,以决定软起动时间。  
13脚：同步输入端,用于多片同时使用。  
14脚：内部5.1V基准电压输出端。  
15脚：驱动级起动电路的引出端,接内部12V基准电压。  

2.3 电路原理与工作过程  

如图2所示,L4970A芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生器、40kHz振荡器、误差放大器、PWM比较器和PWM锁存器、驱动级、DMOS开关管、两级或门构成触发器、或非门、欠过压检测、限流取样电阻Rs、限流比较器、过热保护、软起动以及掉电复位等组成。工作过程如下：首先把输出电压Uo或经R1、R2和RP组成的取样电路提供的反馈电压Uf和5.1V基准电压进行比较,产生误差电压Ur;再将Ur和UJ做比较(见图),获得PWM信号,该信号经或非门驱动DMOS功率管,最后利用外接的L、VD、C构成的降压输出电路,得到稳定输出电压。在图2中,将输入Ui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。  

2.4 关键外围元件参数选择


  
当开关频率f取100kHz、200kHz、500kHz,定时电阻RJ取16kΩ时,定时电容CJ分别取4.7μF、2.2μF、680pF。输出电压：  
U0=(R1＋RP1＋R2)×5.1/R2(V)  
式中R2一般取47kΩ,R1取≥20Ω,电位器RP取值视输出电压的大小和调整范围而定,最大不超过40kΩ。开关频率f和自举电容Cb的对应关系如下：100kHz、0.33μF;200kHz、0.22μF;500kHz、0.1μF。储能电感L一般取（40～150）μH。电源的效率和输出电压Uo的关系是当Uo≥22V时,f=500kHz,η=92％;f=200kHz,η=94％;f=100kHz,η=95％。