一種基于L4970A的雙路10A輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

摘要：一種基于L4970APWM芯片的雙路10A輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源，首先介紹了關(guān)鍵器件L4970A芯片主要性能特點(diǎn)、封裝和主要外圍元件參數(shù)選擇等，重點(diǎn)給出該電源系統(tǒng)的工作原理、具體電路和調(diào)試安裝注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源PWM技術(shù)DC/DC變換功率PWM輸出

Design of A Switching? mode Power Supply with

Two 10A Output? currents Based on L4970A Abstract: The paper presents a switching? mode power supply with two 10A output? currents based on PWM switching? mode power supply chip L4970A.First it introduces main features,encapsulation,pin′ s functions of ship L4970A,and pararmeter choosing of the key peripheral components,etc.Here,the operating principle,special circuits,debuging,installation, and warning of the power supply is given in detail.

Keywords:Switching? mode power supply,PWM technology,DC/DC inverter,Power PWM output

中圖法分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)11?581?04

1引言

由于開關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、高效節(jié)能、輸入電壓范圍寬、適應(yīng)范圍廣、保護(hù)功能全等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域。在此給出一種基于L4970A芯片實(shí)現(xiàn)的具有雙路10A輸出的電壓可調(diào)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　　L4970A大功率PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片是意法公司(SGS－Thomson)的第二代新品，它的最大特點(diǎn)是直接輸出10A大電流、具有過流過熱軟起動(dòng)等完備的保護(hù)功能，因而用它實(shí)現(xiàn)的電源簡(jiǎn)單可靠。下面首先給出該芯片的主要性能特點(diǎn)、封裝和關(guān)鍵外圍元件參數(shù)選擇等，重點(diǎn)介紹由該芯片實(shí)現(xiàn)的雙路10A輸出電壓可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理、具體電路、調(diào)試安裝和注意事項(xiàng)等。

2L4970A簡(jiǎn)介

2?1主要性能指標(biāo)和特點(diǎn)

　　L4970系列是意法公司繼L4960系列之后新推出的單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。它是采用DMOS開關(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，L4970A是其中的代表。其主要性能特點(diǎn)如下：

　　(1)輸出電流大，最大可達(dá)10A，適宜制作200～400W大功率單片開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　　(2)開關(guān)頻率高，可達(dá)400kHz，常選200kHz(允許±20kHz偏差)，從而提高電源效率，減小濾波電感體積。

　　(3)輸入輸出壓差低，可降到1?1V左右，自身耗能低，電源效率高。對(duì)于Ui=50V，Uo=40V，Io=10A的電源，效率可達(dá)92?5％。

　　(4)輸入電壓范圍寬，正常值（15～50）V，極限值為（11～55）V。輸出電壓控制靈活，可在（5?1～40）V范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。若直接從U0反饋，可得到固定5?1V輸出。典型電壓調(diào)整率SV=5mV，負(fù)載調(diào)整率SI=15mV，輸出紋波ΔU=30mV，紋波抑制比為60dB。最大限流值由內(nèi)部電路限定。

　　(5)除軟起動(dòng)、限流保護(hù)、過熱保護(hù)等完善的保護(hù)電路外，還增加了欠壓鎖定、PWM鎖存、掉電復(fù)位等電路。

　　(6)誤差放大器開環(huán)增益大于60dB，電源電壓抑制比PMRR=80dB，輸入失調(diào)電壓2mV。

2?2管腳功能

　　L4970A采用SIP－15封裝，管腳排列如圖1所示，內(nèi)部原理框圖如圖2所示。各管腳功能如下：

　　1腳和2腳：分別接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻RT和電容CT。

圖1L4970A管腳封裝與排列

圖2L4970A內(nèi)部原理框圖

圖3一雙路10A輸出電壓可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路

　　3腳：復(fù)位輸入端，接內(nèi)部復(fù)位和掉電電路，此端電壓需設(shè)定成5?1V，可通過電阻分壓器接Ui或Uo，監(jiān)視Ui或Uo是否掉電。若不用，須經(jīng)30kΩ電阻接15腳。

　　4腳：復(fù)位輸出端，集電極開路輸出，常態(tài)下輸出呈高電平，當(dāng)Ui　　5腳：復(fù)位延遲端，外接復(fù)位電容Cd，以決定復(fù)位信號(hào)的延遲時(shí)間。

　　6腳：自舉端，經(jīng)自舉電容Cb接至Uo，可提升功率驅(qū)動(dòng)級(jí)的電壓，增加驅(qū)動(dòng)DMOS開關(guān)功率管的能力，獲得大電流輸出。

　　7腳：輸出端Uo，固定輸出5?1V，可調(diào)輸出時(shí)需外接電阻分壓器給11腳。

　　8腳：公共地GND與小散熱器連接。

　　9腳：輸入端Ui。

　　10腳：頻率補(bǔ)償端，外接RC網(wǎng)絡(luò)，對(duì)誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償。

　　11腳：反饋輸入端，直接接Uo時(shí)輸出電壓Uo為固定5?1V，如果經(jīng)分壓器時(shí)Uo可獲得40V以下的輸出電壓。

　　12腳：軟起動(dòng)端，外接起動(dòng)電容Cs，以決定軟起動(dòng)時(shí)間。

　　13腳：同步輸入端，用于多片同時(shí)使用。

　　14腳：內(nèi)部5?1V基準(zhǔn)電壓輸出端。

　　15腳：驅(qū)動(dòng)級(jí)起動(dòng)電路的引出端，接內(nèi)部12V基準(zhǔn)電壓。

2?3電路原理與工作過程

　　如圖2所示，L4970A芯片內(nèi)部主要由基準(zhǔn)電壓源、鋸齒波發(fā)生器、40kHz振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和PWM鎖存器、驅(qū)動(dòng)級(jí)、DMOS開關(guān)管、兩級(jí)或門構(gòu)成觸發(fā)器、或非門、欠過壓檢測(cè)、限流取樣電阻Rs、限流比較器、過熱保護(hù)、軟起動(dòng)以及掉電復(fù)位等組成。工作過程如下：首先把輸出電壓Uo或經(jīng)R1、R2和RP組成的取樣電路提供的反饋電壓Uf和5?1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓Ur；再將Ur和UJ做比較(見圖)，獲得PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)或非門驅(qū)動(dòng)DMOS功率管，最后利用外接的L、VD、C構(gòu)成的降壓輸出電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。在圖2中，將輸入U(xiǎn)i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。

2?4關(guān)鍵外圍元件參數(shù)選擇

　　當(dāng)開關(guān)頻率f取100kHz、200kHz、500kHz，定時(shí)電阻RJ取16kΩ時(shí)，定時(shí)電容CJ分別取4?7μF、2?2μF、680pF。輸出電壓：

U0=(R1＋RP1＋R2)×5?1/R2(V)

式中R2一般取4?7kΩ，R1取≥20Ω，電位器RP取值視輸出電壓的大小和調(diào)整范圍而定，最大不超過40kΩ。開關(guān)頻率f和自舉電容Cb的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：100kHz、0?33μF；200kHz、0?22μF；500kHz、0?1μF。儲(chǔ)能電感L一般?。?0～150）μH[2][3]。電源的效率和輸出電壓Uo的關(guān)系是當(dāng)Uo≥22V時(shí)，f=500kHz,η=92％;f=200kHz,η=94％;f=100kHz,η=95％[4][5]。

3基于L4970A實(shí)現(xiàn)的雙路10A輸出電壓

可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源該開關(guān)穩(wěn)壓電源是為某半導(dǎo)體致冷裝置的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，具體電路如圖3所示。它主要是由兩片L4970A芯片和一片7805芯片組成。兩片L4970A芯片及其外圍電路組成兩路10A輸出且電壓在5?1V～40V之間可調(diào)的穩(wěn)定電壓，分別為兩個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體致冷器件提供電源。一片7805及其外圍電路產(chǎn)生精確的＋5V電壓，為半導(dǎo)體致冷裝置的單片微控器提供電源。為了避免干擾，將兩片L4970A的同步輸入13腳短接，這樣它們就共用一路由IC1芯片鋸齒波振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)頻率f,f大小由R4、C9確定，按圖中參數(shù)f為200kHz。LED1和LED2兩發(fā)光管分別用于兩路正常輸出指示。兩片L4970A其余部分完全相同，故僅對(duì)IC1外圍元件做一簡(jiǎn)單介紹：C1、C2為輸入濾波電容，亦可用一只6800μF/50V電解電容代替，R1、R2構(gòu)成分壓器，以設(shè)定復(fù)位閾值電壓UIL值，圖中UIL為11V，即輸入U(xiǎn)IL≤11V時(shí)，輸出Uo為0V，且復(fù)位輸出也為0V。C3、C4分別是芯片內(nèi)部＋12V和＋5?1V基準(zhǔn)電壓濾波電容。C5為軟起動(dòng)電容，C6為復(fù)位延遲電容。C8、R3是誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。C7用于高頻補(bǔ)償。R4、C9是確定兩個(gè)芯片開關(guān)頻率的定時(shí)電阻和電容。C10為自舉電容。VD是續(xù)流二極管，采用MRB2080(20A/80V)肖特基整流共陰極對(duì)管，僅用其中一只，另一只備用。C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制儲(chǔ)能電感L在內(nèi)部功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓和dv/dt，保護(hù)功率管和續(xù)流二極管不被損壞。C12為輸出濾波電容，采用三只220μF/50V電解電容并聯(lián)，使其等效電感大為降低，RP1、R8和R9構(gòu)成分壓器為11腳提供反饋電壓Uf，以確定輸出電壓UO1大小，調(diào)整電位器RP1使輸出電壓UO1在5?5V～40V之間變化。同理，調(diào)整電位器RP2使第二路的輸出電壓UO2也在5?5V～40V之間變化。

4結(jié)語(yǔ)實(shí)際制作時(shí)，應(yīng)注意：

　　(1)兩片L4970A芯片的信號(hào)地和功率地應(yīng)分別在各自的輸出端匯合后再連接在一起，以減少熱噪聲干擾；

　　(2)應(yīng)采用體積小、效率高的黑色叉指式或筋片式散熱器，且盡量遠(yuǎn)離電源變壓器和其它大功率器件，以提高散熱效率。

　　經(jīng)實(shí)測(cè)，該電源的輸出電壓大于20V時(shí)，兩路效率均在90％以上，整個(gè)電源的體積要比用線性器件時(shí)縮小1/3。

參考文獻(xiàn)

1冀捐灶等.功率MOS管在半導(dǎo)體致冷技術(shù)中的應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用，1999(5):P56

2冀捐灶等.開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片L296及其應(yīng)用.電測(cè)與儀表,1999(10):P36

3高惠芳等.實(shí)用的大功率開關(guān)電源電路.電測(cè)與儀表，1998(8)

4王英劍等編.新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社,1999

5沙占友.新型特種集成電源及應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，1998