由于開關穩壓電源具有體積小、重量輕、高效節能、輸入電壓范圍寬、適應范圍廣、保護功能全等特點,已廣泛應用于電子產品的各個領域。在此給出一種基于L4970A芯片實現的具有雙路10A輸出的電壓可調型開關穩壓電源。

L4970A大功率PWM開關穩壓電源芯片是意法公司(SGS－Thomson)的第二代新品,它的最大特點是直接輸出10A大電流、具有過流過熱軟起動等完備的保護功能,因而用它實現的電源簡單可靠。下面首先給出該芯片的主要性能特點、封裝和關鍵外圍元件參數選擇等,重點介紹由該芯片實現的雙路10A輸出電壓可調的開關穩壓電源工作原理、具體電路、調試安裝和注意事項等。

2 L4970A簡介

2.1 主要性能指標和特點

L4970系列是意法公司繼L4960系列之后新推出的單片開關式穩壓器。它是采用DMOS開關功率管、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。

其主要性能特點如下：

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

(2)開關頻率高,可達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。對于Ui=50V,Uo=40V,Io=10A的電源,效率可達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范圍內連續調整。若直接從U0反饋,可得到固定5.1V輸出。典型電壓調整率SV=5mV,負載調整率SI=15mV,輸出紋波ΔU=30mV,紋波抑制比為60dB。最大限流值由內部電路限定。

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

(6)誤差放大器開環增益大于60dB,電源電壓抑制比PMRR=80dB,輸入失調電壓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電阻RT和電容CT。

3腳：復位輸入端,接內部復位和掉電電路,此端電壓需設定成5.1V,可通過電阻分壓器接Ui或Uo,監視Ui或Uo是否掉電。若不用,須經30kΩ電阻接15腳。

4腳：復位輸出端,集電極開路輸出,常態下輸出呈高電平,當Ui5腳：復位延遲端,外接復位電容Cd,以決定復位信號的延遲時間。

6腳：自舉端,經自舉電容Cb接至Uo,可提升功率驅動級的電壓,增加驅動DMOS開關功率管的能力,獲得大電流輸出。

7腳：輸出端Uo,固定輸出5.1V,可調輸出時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：頻率補償端,外接RC網絡,對誤差放大器進行補償。

11腳：反饋輸入端,直接接Uo時輸出電壓Uo為固定51V,如果經分壓器時Uo可獲得40V以下的輸出電壓。

12腳：軟起動端,外接起動電容Cs,以決定軟起動時間。

13腳：同步輸入端,用于多片同時使用。

14腳：內部5.1V基準電壓輸出端。

15腳：驅動級起動電路的引出端,接內部12V基準電壓。

2.3 電路原理與工作過程

如圖2所示,L4970A芯片內部主要由基準電壓源、鋸齒波發生器、40kHz振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和PWM鎖存器、驅動級、DMOS開關管、兩級或門構成觸發器、或非門、欠過壓檢測、限流取樣電阻Rs、限流比較器、過熱保護、軟起動以及掉電復位等組成。工作過程如下：首先把輸出電壓Uo或經R1、R2和RP組成的取樣電路提供的反饋電壓Uf和5.1V基準電壓進行比較,產生誤差電壓Ur;再將Ur和UJ做比較(見圖),獲得PWM信號,該信號經或非門驅動DMOS功率管,最后利用外接的L、VD、C構成的降壓輸出電路,得到穩定輸出電壓。在圖2中,將輸入Ui加到鋸齒波發生器上,目的是提供一個前饋信號,使器件在很寬的輸入電壓范圍內具有良好的穩壓性能。

2.4 關鍵外圍元件參數選擇

當開關頻率f取100kHz、200kHz、500kHz,定時電阻RJ取16kΩ時,定時電容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整范圍而定,最大不超過40kΩ。開關頻率f和自舉電容Cb的對應關系如下：100kHz、0.33μF;200kHz、0.22μF;500kHz、0.1μF。儲能電感L一般取（40～150）μH[2][3]。電源的效率和輸出電壓Uo的關系是當Uo≥22V時,f=500kHz,η=92％;f=200kHz,η=94％;f=100kHz,η=95％[4][5]。

3 基于L4970A實現的雙路10A輸出電壓

可調的開關穩壓電源該開關穩壓電源是為某半導體致冷裝置的電源系統設計的,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之間可調的穩定電壓,分別為兩個串聯的半導體致冷器件提供電源。一片7805及其外圍電路產生精確的＋5V電壓,為半導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生的開關頻率f,f大小由R4、C9確定,按圖中參數f為200kHz。LED1和LED2兩發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IC1外圍元件做一簡單介紹：C1、C2為輸入濾波電容,亦可用一只6800μF/50V電解電容代替,R1、R2構成分壓器,以設定復位閾值電壓UIL值,圖中UIL為11V,即輸入UIL≤11V時,輸出Uo為0V,且復位輸出也為0V。C3、C4分別是芯片內部＋12V和＋51V基準電壓濾波電容。C5為軟起動電容,C6為復位延遲電容。C8、R3是誤差放大器的頻率補償網絡。C7用于高頻補償。R4、C9是確定兩個芯片開關頻率的定時電阻和電容。C10為自舉電容。VD是續流二極管,采用MRB2080(20A/80V)肖特基整流共陰極對管,僅用其中一只,另一只備用。C11和R5構成吸收網絡,用以限制儲能電感L在內部功率開關管關斷瞬間產生的尖峰電壓和dv/dt,保護功率管和續流二極管不被損壞。C12為輸出濾波電容,采用三只220μF/50V電解電容并聯,使其等效電感大為降低,RP1、R8和R9構成分壓器為11腳提供反饋電壓Uf,以確定輸出電壓UO1大小,調整電位器RP1使輸出電壓UO1在5.5V～40V之間變化。同理,調整電位器RP2使第二路的輸出電壓UO2也在5.5V～40V之間變化。

4 結語

實際制作時,應注意：

(1)兩片L4970A芯片的信號地和功率地應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,且盡量遠離電源變壓器和其它大功率器件,以提高散熱效率。

經實測,該電源的輸出電壓大于20V時,兩路效率均在90％以上,整個電源的體積要比用線性器件時縮小1/3。