L4970A大功率單片集成開關(guān)電源原理與應(yīng)用

摘要： 介紹L4970A 大功率單片集成開關(guān)電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用電路。

L4970A 系列大功率單片集成開關(guān)電源是ST 公司繼L4960 系列之后推出的第二代產(chǎn)品。電路的特點(diǎn)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;輸出電壓在5. 1V～40V 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);通過自舉電容可獲得大電流輸出;利用掉電復(fù)位電路能實(shí)時(shí)地向微機(jī)發(fā)出信號(hào)，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(hào)適用于L4970A/ 4975A/ 4977A) 。其內(nèi)部功能電路主要包括基準(zhǔn)電壓源，鋸齒波發(fā)生器，內(nèi)置40kHz 振蕩器，欠壓檢測與過熱保護(hù)電路，誤差放大器，比較器，PWM鎖存器， 或非門， 觸發(fā)器(由兩級(jí)或門構(gòu)成) , 驅(qū)動(dòng)級(jí)，DMOS 開關(guān)功率管， 限流比較器， 軟啟動(dòng)電路， 掉電復(fù)位電路。其中內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源能輸出兩路基準(zhǔn)電壓，一路是VREF = 5. 1V ,供設(shè)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(qū)動(dòng)級(jí)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(diào)電壓為2mV。

圖1 　L4970A 原理框圖

1. 1 　L4970A 系列的導(dǎo)通閾值電壓

導(dǎo)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(guān)功率管提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，采用了自舉升壓方式。利用內(nèi)部的12V 基準(zhǔn)電壓源將自舉電容Cb 充電到12V ,疊加到驅(qū)動(dòng)級(jí)電源上，使之提升到( VI + 12V) 。DMOS 功率管的開關(guān)時(shí)間為50ns ,能在200kHz 高頻下正常工作，其峰值驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)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(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)驅(qū)動(dòng)DMOS 功率管，最后利用由L 、VD、C 構(gòu)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(hào)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。下面重點(diǎn)介紹限流電路及復(fù)位和掉電電路的工作原理。軟啟動(dòng)電路的原理與L4960 完全相同。

1. 3 　限流保護(hù)電路

限流保護(hù)電路由限流取樣電阻RS (芯片內(nèi)部的金屬絲電阻) 和限流比較器所組成。當(dāng)輸出電流超過最大限流值ISM (L4970A 為13A) 時(shí)，限流比較器就輸出高電平，將觸發(fā)器置1 ,再經(jīng)過或非門變成低電平，使驅(qū)動(dòng)級(jí)和DMOS 功率管截止。僅當(dāng)內(nèi)部40kHz 振蕩器的時(shí)鐘脈沖CL1 來到時(shí)，才能把觸發(fā)器置O ,DMOS 管重新導(dǎo)通。發(fā)生過載后，保護(hù)電路可使L4970A 系列保持恒定的電流輸出， 并且把開關(guān)頻率從正常時(shí)的200kHz 降至40kHz ,保護(hù)芯片不受損壞。

1. 4 　掉電復(fù)位電路

L4970A 系列的導(dǎo)通閾值電壓VON = 11V ,也是輸入電壓的最小極限值;關(guān)斷閾值電壓VOFF = 10V。利用接在VI 端、復(fù)位輸入端和GND 之間的電阻分壓器，可以設(shè)定復(fù)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(dāng)VI升至VIL時(shí)，復(fù)位輸出端需經(jīng)過一段延遲時(shí)間才變成高電平，延遲時(shí)間由Cd 來設(shè)定。當(dāng)輸入端發(fā)生掉電故障且VI 降至VOFF時(shí)，復(fù)位輸出端立即變成低電平。另外，當(dāng)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(shí)，復(fù)位輸出也變成低電平。因此，L4970A 系列特別適合作為微機(jī)系統(tǒng)的電源。一旦出現(xiàn)VI 過低( VI VOFF = 10V) 或者V0 過低( V0 5V) 的故障，復(fù)位輸出端立即產(chǎn)生信號(hào)，使微處理器復(fù)位或進(jìn)入掉電保護(hù)狀態(tài)。

2 　應(yīng)用電路

2. 1 　典型應(yīng)用電路

L4970A 的典型應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 　L4970A 的典型應(yīng)用電路