一種基于L4970A的雙路10A輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設計方案

由于開關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、高效節(jié)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(chǎn)品的各個領(lǐng)域。在此給出一種基于L4970A芯片實現(xiàn)的具有雙路10A輸出的電壓可調(diào)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

L4970A大功率PWM開關(guān)穩(wěn)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(xiàn)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(guān)鍵外圍元件參數(shù)選擇等,重點介紹由該芯片實現(xiàn)的雙路10A輸出電壓可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理、具體電路、調(diào)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(guān)式穩(wěn)壓器。它是采用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,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(guān)穩(wěn)壓電源。

(2)開關(guān)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(nèi)連續(xù)調(diào)整。若直接從U0反饋,可得到固定5.1V輸出。典型電壓調(diào)整率SV=5mV,負載調(diào)整率SI=15mV,輸出紋波ΔU=30mV,紋波抑制比為60dB。最大限流值由內(nèi)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(huán)增益大于60dB,電源電壓抑制比PMRR=80dB,輸入失調(diào)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(nèi)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(nèi)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(jiān)視Ui或Uo是否掉電。若不用,須經(jīng)30kΩ電阻接15腳。

4腳：復位輸出端,集電極開路輸出,常態(tài)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(jīng)自舉電容Cb接至Uo,可提升功率驅(qū)動級的電壓,增加驅(qū)動DMOS開關(guān)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(diào)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(wǎng)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(jīng)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(nèi)部5.1V基準電壓輸出端。

15腳：驅(qū)動級起動電路的引出端,接內(nèi)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(nèi)部主要由基準電壓源、鋸齒波發(fā)生器、40kHz振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和PWM鎖存器、驅(qū)動級、DMOS開關(guān)管、兩級或門構(gòu)成觸發(fā)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)或非門驅(qū)動DMOS功率管,最后利用外接的L、VD、C構(gòu)成的降壓輸出電路,得到穩(wěn)定輸出電壓。在圖2中,將輸入Ui加到鋸齒波發(fā)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(nèi)具有良好的穩(wěn)壓性能。

2.4 關(guān)鍵外圍元件參數(shù)選擇

當開關(guān)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(diào)整范圍而定,最大不超過40kΩ。開關(guān)頻率f和自舉電容Cb的對應關(guān)系如下：100kHz、0.33μF;200kHz、0.22μF;500kHz、0.1μF。儲能電感L一般?。?0～150）μH[2][3]。電源的效率和輸出電壓Uo的關(guān)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(xiàn)的雙路10A輸出電壓

可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源該開關(guān)穩(wěn)壓電源是為某半導體致冷裝置的電源系統(tǒng)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(diào)的穩(wěn)定電壓,分別為兩個串聯(lián)的半導體致冷器件提供電源。一片7805及其外圍電路產(chǎn)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(chǎn)生的開關(guān)頻率f,f大小由R4、C9確定,按圖中參數(shù)f為200kHz。LED1和LED2兩發(fā)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(gòu)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(nèi)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(wǎng)絡。C7用于高頻補償。R4、C9是確定兩個芯片開關(guān)頻率的定時電阻和電容。C10為自舉電容。VD是續(xù)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(gòu)成吸收網(wǎng)絡,用以限制儲能電感L在內(nèi)部功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓和dv/dt,保護功率管和續(xù)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(lián),使其等效電感大為降低,RP1、R8和R9構(gòu)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(diào)整電位器RP1使輸出電壓UO1在5.5V～40V之間變化。同理,調(diào)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(jié)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(jīng)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。