摘要： 介绍L4970A 大功率单片集成开关电源芯片的内部结构、电路特点、工作原理和应用电路。

　　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 范围内连续可调；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） 。其内部功能电路主要包括基准电压源，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V_REF = 5. 1V ,供设定输出电压V0 值用；另一路为V_START = 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A_VO> 60dB ,电源电压抑制比PMRR = 80dB ,输入失调电压为2mV。

图1 　L4970A 原理框图

　　1. 1 　L4970A 系列的导通阈值电压

　　导通阈值电压V_ON = 11V ,并有1V 的滞回电压。为保证芯片能可靠工作， 要求输入电压V_L >11V ,一般取VImin15V。为了给DMOS 开关功率管提供足够大的驱动电压，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. 2 　PWM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，产生误差电压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，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，目的是提供一个前馈信号，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V_ON = 11V ,也是输入电压的极限值；关断阈值电压V_OFF = 10V。利用接在V_I 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V_RH ,使V_RH = 5V ,并且由它来决定输入电压阈值VIL 。通常上电后当V_I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V_I 降至V_OFF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（ V_I < V_OFF = 10V） 或者V0 过低（ V0 < 5V） 的故障，复位输出端立即产生信号，使微处理器复位或进入掉电保护状态。

　　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2 　L4970A 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V_RL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） 为定时电阻和定时电容。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产生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V_I = 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3 　5. 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 提供的- 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4 　0～25V、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产生一个新的飞跃。