L4970A大功率单片集成开关电源原理与应用

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范围内持续可调;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)。其内部功能电路重要包括基准电压源，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1L4970A原理框图

1.1L4970A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开关功率管供应足够大的驱动电压，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。

1.2pWM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，出现误差电压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，目的是供应一个前馈信号，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

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2L4970A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)为按时电阻和按时电容。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出现的尖峰电压峰值及其上升速率，保护开关功率管及续流二极管不受损坏。C11～C13(均为220μF/40V)为输出端滤波电容，相并联能使其等效电感大为降低。R6(4.7k)是复位输出端内部晶体管的集电极电阻。输出端的电阻分压器由R7和R8构成，输出电压由下式确定：

该电路设计为VI=35V,V0根据R7和R8阻值可获得40V以下的输出电压，输出电流I0=10A。Tp1～Tp4为测试点，可用示波器分别观察复位输出、同步信号、误差电压、锯齿波电压的波形。

2.2其他应用电路

2.2.1固定输出电路

由L4970A构成的5.1V/10A固定输出开关电源电路如图3所示。

图35.1V/10A开关电源

2.2.2从0V起调的可调输出电路

能输出0～25V、10A的开关电源如图4所示，这里巧妙地利用一片三端集成稳压器7905供应的-5V电压，将L4970A的GND端电位拉成-5V,V0也就从原来的5.1～30V变成0～25V。该电源的最大特点是输出电压能从0V起调，这是常规方法所难以实现的。

图40～25V、10A的开关可调电源

3结束语

大功率单片集成开关稳压电路的使用，使开关电源整机使用元件大为减少，直接提高了开关电源的性能及可靠性。随着这种电源电路使用的普及，开关电源技术和性能将会出现一个新的飞跃。