基于L4970A的双路10A输出的开关稳压电源的设计
基于L4970A的双路10A输出的开关稳压电源的设计
目 录
基于L4970A的双路10A输出的开关稳压电源的设计 ……………………3
集成开关稳压电源的计………………………………………………………4
结束语…………………………………………………………………………7
参考文献………………………………………………………………………8
基于L4970A的双路10A输出的开关稳压电源的设计
【摘要】：一种基于L4970APWM芯片的双路10A输出的开关稳压电源,首先介绍了关键器件L4970A芯片主要性能特点、封装和主要外围元件参数选择等,重点给出该电源系统的工作原理、具体电路和调试安装注意事项。
【关键词】：开关电源 PWM技术 DC/DC变换 功率PWM输出
集成开关稳压电源的设计
一、集成开关稳压电源的发展和趋势
1955 年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆赫兹的变换器的实用化研究。
开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（Silicon General）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初意－法半导体有限公司（SGS－Thomson）率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.5A～10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属DC/DC电源变换器。
1994年，美国动力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列。在这之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（HighVoltage Power Switching Regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。 由于开关稳压电源具有体积小、重量轻、高效节能、输入电压范围宽、适应范围广、保护功能全等特点,已广泛应用于电子产品的各个领域。在此给出一种基于L4970A芯片实现的具有双路10A输出的电压可调型开关稳压电源。
L4970A大功率PWM开关稳压电源芯片是意法公司(SGS－Thomson)的第二代新品,它的最大特点是直接输出10A大电流、具有过流过热软起动等完备的保护功能,因而用它实现的电源简单可靠。下面首先给出该芯片的主要性能特点、封装和关键外围元件参数选择等,重点介绍由该芯片实现的双路10A输出电压可调的开关稳压电源工作原理、具体电路、调试安装和注意事项等。
二、L4970A简介
2.1 主要性能指标和特点
L4970系列是意法公司继L4960系列之后新推出的单片开关式稳压器。它是采用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,L4970A是其中的代表。
其主要性能特点如下：
(1)输出电流大,最大可达10A,适宜制作200～400W大功率单片开关稳压电源。
(2)开关频率高,可达400kHz,常选200kHz(允许±20kHz偏差),从而提高电源效率,减小滤波电感体积。
(3)输入输出压差低,可降到1.1V左右,自身耗能低,电源效率高。对于Ui=50V,Uo=40V,Io=10A的电源,效率可达92.5％。
(4)输入电压范围宽,正常值（15～50）V,极限值为（11～55）V。输出电压控制灵活,可在（5.1～40）V范围内连续调整。若直接从U0反馈,可得到固定5.1V输出。典型电压调整率SV=5mV,负载调整率SI=15mV,输出纹波ΔU=30mV,纹波抑制比为60dB。最大限流值由内部电路限定。
(5)除软起动、限流保护、过热保护等完善的保护电路外,还增加了欠压锁定、PWM锁存、掉电复位等电路。
(6)误差放大器开环增益大于60dB,电源电压抑制比PMRR=80dB,输入失调电压2mV。
2.2 管脚功能
L4970A采用SIP－15封装,管脚排列如图1所示,内部原理框图如图2所示。各管脚功能如下：
1脚和2脚：分别接锯齿波振荡器外部定时电阻RT和电容CT。
3脚：复位输入端,接内部复位和掉电电路,此端电压需设定成5.1V,可通过电阻分压器接Ui或Uo,监视Ui或Uo是否掉电。若不用,须经30kΩ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Ui5脚：复位延迟端,外接复位电容Cd,以决定复位信号的延迟时间。
6脚：自举端,经自举电容Cb接至Uo,可提升功率驱动级的电压,增加驱动DMOS开关功率管的能力,获得大电流输出。
7脚：输出端Uo,固定输出5.1V,可调输出时需外接电阻分压器给11脚。
8脚：公共地GND与小散热器连接。
9脚：输入端Ui。
10脚：频率补偿端,外接RC网络,对误差放大器进行补偿。
11脚：反馈输入端,直接接Uo时输出电压Uo为固定5.1V,如果经分压器时Uo可获得40V以下的输出电压。
12脚：软起动端,外接起动电容Cs,以决定软起动时间。
13脚：同步输入端,用于多片同时使用。
14脚：内部5.1V基准电压输出端。
15脚：驱动级起动电路的引出端,接内部12V基准电压。761