大功率单片集成开关电源设计_聂汉平

1999年第12期　　　　　　　　　　　　　　　　　　黑龙江电子技术

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大功率单片集成开关电源设计

聂汉平　　　　刘　哲

【摘　要】　介绍了一种由L4970A构成的大功率开关集成电源,电源效率可达90%以上,其外围电路简

单,具有自动保护功能,是一种高效可靠、经济实用的大功率开关电源。

【关键词】　开关电源　L4970A　集成稳压器

0　引言

单片开关式集成稳压器被誉为新型高效节能稳压电源,其电源效率可达90%以上。它把开关电源所需的基准电压源、锯齿波发生器、脉宽调制器(PWM)、功率输出级和各种保护电路集成在芯片中,实现了单片集成化,具有功能齐全、性能优良、外围电路简单的特点。单片开关式集成稳压器属于低压直流电源变换器,适于制作低压(5.1～40V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5～10A)的开关电源。

本文介绍由L4970A构成的大功率单片集成开关电源,其最大输出电流10A,输出电压可在5.1～40V范围内连续调整,输出功率可达400W。

图1　L4970A管脚排列

1　L4970A的特点

L4970A是SGS-Thomson公司生产的第二代单片开关式稳压器,具有以下特点:

(1)输出电流大。最大输出电流可达10A,适宜制作200～400W的大功率开关电源。

(2)输入电压范围宽(15～50V),输出电压可在5.1～40V范围内连续调整。典型应用时,电压调整率为50mV,电流调整率为15mV,输出纹波电压30mV。

(3)开关频率高。最高工作频率可达400kHz,通常选200kHz。频率高有利于提高电源效率,减小储能电感等元件体积。

(4)电源效率高,功耗低,能在低压下正常工作。

电容的充电电流值。

2脚CT:外接定时电容,CT和RT一同设定开关频率。

3脚:复位输入端,接内部复位电路和掉电电路,此端电压需设置为5.1V。若通过电阻分压器接输入电压VI,即可提供掉电信号VRL;不用时须经30kΨ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VI或VO掉电时此端变为低电平。

5脚:复位延迟端,外接复位延迟电容Cd,以决定复位延迟时间。6脚:自举端,经自举电容Cb接至VO,提升功率驱动级的电压,使之更好地驱动DMOS开关功率管。

7脚VO:输出端,固定输出时为5.1V,可调输出时需外接电阻分压器。

8脚GND:公共地。9脚VI:输入端,接直流输入电压。

RC2　L4970A的工作原理

2.1　管脚功能

L4970A采用SIP-15封装,如图1所示。其管脚功能如下:

,

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器进行频率补偿。

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15脚:驱动级启动电路的引出端,接内部12V基准电压。

2.2　工作原理

L4970A电路原理框图如图2所示,主要包括基准电压源、锯齿波发生器、内部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、驱动级、DMOS开关功率管、限流比较器、软启动电路及掉电复位电路

。

11脚:反馈输入端。接VO时输出电压为5.1V,经电阻分压器可获得40V以下的输出电压。

12脚:软启动端,外接软启动电容CS,以决定软启动时间。

13脚:同步输入端。将多片L4970A的第13脚接在一起,能使它们同步工作,亦可接外同步信号。

14脚VREF:内部5.1V基准电压输出端。

图2　L4970A电路原理框图

　　L4970A的导通阀值电压VON为11V,为保证芯片可靠工作,要求最低输入电压VIL大于11V,一般取VImin=15V。利用内部的12V基准电源将自举电容Cb充电到12V,叠加于驱动级电源上,给DMOS开关功率管提供足够大的驱动电压。DMOS功率管的开关时间为50ns,能在200kHz高频下正常工作。

PWM控制环路首先把输出电压与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比较,获得固定频率的脉宽调制信号,经驱动级驱动DMOS功率管;最后,利用L、VD、C构成的降压式输出电路,得到稳定的输出电压。

片内取样电阻RS和限流比较器组成限流保护电路。当输出电流超过最大限流值ISM(13A)时,限流比较器输出高电平,将触发器置1,再经过或非门变为低电平,使驱动级和DMOS功率管截止。发生过载后,L4970A保持恒定的电流输出,并把开关频率从正常的200kHz降到40kHz,保护芯片不受损坏。L4970A的导通阀值电压为11V,关断阀值电压VIV时,复位输出端立即变为低电平;当输出端发生掉电故障,并且VO小于5V时,复位输出端也变为低电平。因此,复位输出端可作为掉电保护信号。

3　L4970A的应用电路

3.1　典型应用电路

图3为L4970A的典型应用电路。图3中,C1、C2为输入端滤波电容,并联后的总电容量为6600μF,也可用一只6800μF/50V的电容器来代替。R1和R2构成复位输入端的电阻分压器,用以设定VRL值。C3、C4分别为驱动级启动端和VREF端的滤波电容。C5是软启动电容,C6是复位延迟电容。误差放大器的频率补偿网络由C8与R3组成,C7用作高频补偿。R4、C9分别为定时电阻、定时电容。C10为自举电容。VD是续流二极管,采用MBR2080型(20A/80V)肖特基整流二极管。C11和R5组成吸收网络,限制储电感L在内部开关功率管关断的瞬间产生的尖峰电压值及其上升速率,对开关功率管和。C～14

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容,将三只220μF/40V的电解电容并联,使等效电感大为降低。R6是复位输出端内部晶体管的集电极电阻。输出端的分压器由RP和R7构成,输出电压

由下式决定:

V0=(1+RP/R7)×5.

1V

图3　L4970A

典型应用电路

图4　0～25V/10A开关电源

　　本电路设计VI为35V,IO为10A,R7取4.7kΨ,RP取不同的值得到不同的输出电压,如表1所示。TP1～TP4为测试点,用于观察复位、同步信号、误差电压及锯齿波电压的波形。

表1　VO与RP的关系

VO(V)RP(kΨ)

126.4

159.1

1812

2418

4　结束语

由L4970A构成的大功率单片开关电源效率可达90%以上,最大输出电流10A,具有软启动、限流保护与过热保护电路,复位输出端可实时向微机发出信号,监视电源工作情况。另外,SGS-Thomson

公司L4970A系列产品有:L4970A、L4977A、L4975A、L4974A和L4972A,它们输出的最大电流分别为10A、7A、5A、4A和2A,电源电路和此相似,此处不再赘述。

作　者　简　介

聂汉平:现任教于江汉石油学院电信系,主要从事智能控制、计算机

控制技术和智能仪表方面的研究工作。邮编:434102

刘　哲:黑龙江省电子信息中心。邮编:150001

(收稿日期:1999—11—10)

3.2　输出电压0～25V的应用电路

图4为具有0～25V输出电压的开关电源电路。这里用一片7905型三端集成稳压器提供-5V电压,将L4970A的GND端电位拉成-5V,VO也就从原来的5.1～30V变成0～25V。该电源最大特点是输出电压从0V起调,这是用常规方法难以实现的。