L4970A大功率单片集成开关电源原理与应用

摘要： 介绍L4970A 大功率单片集成开关电源芯片的内部结构、电路特点、工作原理和应用电路。

L4970A 系列大功率单片集成开关电源是ST 公司继L4960 系列之后推出的第二代产品。电路的特点是：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;输出电压在5. 1V～40V 范围内连续可调;通过自举电容可获得大电流输出;利用掉电复位电路能实时地向微机发出信号，监视系统电源的工作状态。

1 　工作原理

L4970A 的原理框图如图1 所示(注：引脚序号适用于L4970A/ 4975A/ 4977A) 。其内部功能电路主要包括基准电压源，锯齿波发生器，内置40kHz 振荡器，欠压检测与过热保护电路，误差放大器，比较器，PWM锁存器， 或非门， 触发器(由两级或门构成) , 驱动级，DMOS 开关功率管， 限流比较器， 软启动电路， 掉电复位电路。其中内部基准电压源能输出两路基准电压，一路是VREF = 5. 1V ,供设定输出电压V0 值用;另一路为VSTART = 12V ,它与自举电路相配合，可将驱动级的电源电压提升12V。误差放大器的开环电压增益AVO> 60dB ,电源电压抑制比PMRR = 80dB ,输入失调电压为2mV。

图1 　L4970A 原理框图

1. 1 　L4970A 系列的导通阈值电压

导通阈值电压VON = 11V ,并有1V 的滞回电压。为保证芯片能可靠工作， 要求最低输入电压VL>11V ,一般取VImin15V。为了给DMOS 开关功率管提供足够大的驱动电压，采用了自举升压方式。利用内部的12V 基准电压源将自举电容Cb 充电到12V ,叠加到驱动级电源上，使之提升到( VI + 12V) 。DMOS 功率管的开关时间为50ns ,能在200kHz 高频下正常工作，其峰值驱动电流约为0. 5A。

1. 2 　PWM控制环路

PWM控制环路的工作原理是：首先把反馈输入电压与5. 1V 基准电压进行比较，产生误差电压Vr ;再将Vr 与锯齿波电压VJ 作比较，获得固定频率的脉冲调制信号，经驱动级驱动DMOS 功率管，最后利用由L 、VD、C 构成的降压式输出电路，得到稳定的输出电压。图1 中，将同步输入信号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。下面重点介绍限流电路及复位和掉电电路的工作原理。软启动电路的原理与L4960 完全相同。

1. 3 　限流保护电路

限流保护电路由限流取样电阻RS (芯片内部的金属丝电阻) 和限流比较器所组成。当输出电流超过最大限流值ISM (L4970A 为13A) 时，限流比较器就输出高电平，将触发器置1 ,再经过或非门变成低电平，使驱动级和DMOS 功率管截止。仅当内部40kHz 振荡器的时钟脉冲CL1 来到时，才能把触发器置O ,DMOS 管重新导通。发生过载后，保护电路可使L4970A 系列保持恒定的电流输出， 并且把开关频率从正常时的200kHz 降至40kHz ,保护芯片不受损坏。

1. 4 　掉电复位电路

L4970A 系列的导通阈值电压VON = 11V ,也是输入电压的最小极限值;关断阈值电压VOFF = 10V。利用接在VI 端、复位输入端和GND 之间的电阻分压器，可以设定复位输入端的电压阈值电压VRH ,使VRH = 5V ,并且由它来决定输入电压阈值VIL 。通常上电后当VI升至VIL时，复位输出端需经过一段延迟时间才变成高电平，延迟时间由Cd 来设定。当输入端发生掉电故障且VI 降至VOFF时，复位输出端立即变成低电平。另外，当输出端发生掉电故障(包括瞬间电压跌落故障) ,并且V0 5V(正常值为5. 1V)时，复位输出也变成低电平。因此，L4970A 系列特别适合作为微机系统的电源。一旦出现VI 过低( VI VOFF = 10V) 或者V0 过低( V0 5V) 的故障，复位输出端立即产生信号，使微处理器复位或进入掉电保护状态。

2 　应用电路

2. 1 　典型应用电路

L4970A 的典型应用电路如图2 所示。

图2 　L4970A 的典型应用电路

图中，C1 为输入端滤波电解电容(6800μF/50V) ,而R1 (30k) 和R2 (10k) 构成复位输入端的电阻分压器，用以设定VRL值。C2 、C3(均为2. 2μF) 分别为驱动级启动端和VREF端的滤波电容。C4 (2. 2μF) 是软启动电容，C5 (2. 2μF) 是复位延迟电容。误差放大器的频率补偿网络由C6(0. 022μF) 、R3 (15k) 组成，C8 (390p) 用作高频补偿。R4 (16k) 、C7 (2200p) 为定时电阻和定时电容。C9(0. 22μF) 为自举电容。VD 是续流二极管， 采用MBR2080 肖特基整流二极管，这种管子属于共阴对管，内含两只相同的肖特基管，使用时仅用一只，另一只作备用管。由C10 (2200p) 和R5 (22k) 构成吸收网络，用以限制储能电感L (40μH) 在内部开关功率管关断瞬间产生的尖峰电压峰值及其上升速率，保护开关功率管及续流