收稿日期:2003-08作者简介:杨碧石(1961 )男,副教授,主要从事电子技术和数字逻辑系统的设计理论与实验教学工作。

L4970A 大功率单片集成开关电源原理与应用杨碧石(南通职业大学电子工程系,江苏南通266007)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。

关键词:开关电源;应用电路;集成电路中图分类号:TM44 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2004)01-0055-02L4970A High power Single chip Integrated Switch power s Principle and ApplicationYANG Bi shi(Nantong Vocational College,Nantong 226007,Chi na)Abstract:In this paper,L4970A s internal structure,circui t characteristic,work principle and applicati on circuits are introduced.Key words:s witch power;application circuit;ICL4970A 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C MOS/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,掉电复图1 L4970A 原理框图位电路。

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V 0值用;另一路为V S TART =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 。

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,要求最低输入电压V IL >11V,一般取V Im i n 15V 。

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C b 充电到12V,叠加到驱动级电源上,使之提升到(V I +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PW M 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V r ;再将V r 与锯齿波电压V J 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,最后利用由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55 2004年第1期仪表技术理。

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R S (芯片内部的金属丝电阻)和限流比较器所组成。

当输出电流超过最大限流值I SM (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CL 1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,也是输入电压的最小极限值;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V IL 。

通常上电后当VI 图3 5.1V/10A 开关电源升至V I L 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C d 来设定。

当输入端发生掉电故障且V I 降至V OF F 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V 0<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V I 过低(V I <V OF F =10V)或者V 0过低(V 0<5V)的故障,复位输出端立即产生信号,使微处理器复位或 图4 0~25V 、10A 的开关可调电源进入掉电保护状态。

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。

图中,C 1为输入端滤波电解电容(6800 F/50V),而R 1(30k)和R 2(10k)构成复位输入端的电阻分压器,用以设定V RL 值。

C 2、C 3(均为2.2 F)分别为驱动级启动端和V REF 端的滤波电容。

C 4(2.2 F)是软启动电容,图2 L4970A 的典型应用电路C 5(2.2 F)是复位延迟电容。

误差放大器的频率补偿网络由C 6(0.022 F)、R 3(15k)组成,C 8(390p)用作高频补偿。

R 4(16k)、C 7(2200p)为定时电阻和定时电容。

C 9(0.22 F)为自举电容。

VD 是续流二极管,采用MB R2080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C 10(2200p)和R 5(22k)构成吸收网络,用以限制储能电感L(40 H)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。

C 11~C 13(均为220 F/40V)为输出端滤波电容,相并联能使其等效电感大为降低。

R 6(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R 7和R 8构成,输出电压由下式确定:V 0=1+R 7R 85.1V 该电路设计为V I =35V,V 0根据R 7和R 8阻值可获得40V 以下的输出电压,输出电流I 0=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。

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,(下转第60页)荧光寿命得到所测温度值。

2 信号处理光电二极管感应的光辐射信号经过光电转换、信号放大、线性化处理、A/D 转换、微机处理后给出待测温度。

为了实现多点测量,加入多路开关,通过微机控制,选择所测点。

如图2所示。

图2 信号处理原理框图由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号,这种非线性关系,在温度数字化测量中,加进线性化装置进行线性补偿。

这里选用模拟线性化,采用折线逼近方案,即用连续有限折线代替曲线的直线化方式。

其特点是技术简单,精度取决于折线段的多少。

3 测试方法3.1 熔炼过程中的探头设置在熔炼过程中,金属液体始终处于流动状态;可以认为在这个温度场中,金属液体各处的温度基本一致。

将探头放置于溶液表面下10cm 左右处,通过热辐射测出溶液温度。

3.2 在热处理加热炉系统中的探头设置在加热炉中,被处理的工件与炉壁进行热交换。

辐射换热量表示为Q 12=C 0F 1T 11004- 21F 2F 1T 21004/1 1+ 211 2-1 [W](3)其中T 1、T 2、F 1、F 2为工件与炉壁的温度和表面积,1、 2分别为工件和炉壁的黑度, 21为角系数。

当热平衡时候,T 1=T 2,Q 12=0。

两者之间没有了热交换,这时候就可以测出工件的温度。

将探头安置于炉壁,外接光纤测出工件的加热温度。

3.3 凝固过程中的温度测量铸件在凝固过程中,它的内温度场为不稳定温度场。

在铸件截面上某一点,不同时刻,温度是不同的;在同一瞬间,铸件截面上各点的温度也不同。

其温度场是坐标(x ,y ,z )和时间t 的函数T =(x ,y ,z ,t)为了测出铸件在凝固过程的温度场,研究温度场和等温面的变化,进一步进行仿真模拟,提高产品质量和成品率,有必要对凝固过程进行多点测量。

光纤温度传感器能够快速响应温度变化,测量精度高,可以准确的反映温度场的情况。

在测量中,将探头安置于所测点,通过微机来观察和描绘温度场。

3.4 光纤连接为了使光通道的可拆性成为可能,便于多点测量,为测试提供便利的测试接口,同时尽可能的降低连接过程中的光损耗,在光纤接口处采用可以拔插的光纤连接器,实现从光源到光纤、光纤到光纤以及光纤到探测器之间的光耦合。

考虑到在热加工环境下使用,光纤连接器必须可靠、坚固耐用、可维修、插入损耗小等因素,采用SC 型单芯光纤连接器。

这种连接器的法兰盘中有卡簧,接口是矩形结构,在插入中很容易对准,适宜于高密度安装,提高了操作性、损耗的稳定性以及封装密度。

在连接中还可以采用小型封装连接器SFF,使在较小的空间内使用成为可能。

4 结论在熔炼炉的加热过程中,用铂铑热电偶和光纤高温探头对同一个温区进行测试;在整个温度区域的测试过程中,对比测试结果,光纤高温探头与铂铑热电偶测试结果基本相符。

光纤高温传感器的使用寿命长,重复性好,性能价格比高,完全可以在生产中替代铂铑热电偶,目前已经部分应用于生产过程中。

参考文献:[1]安毓英,曾小东.光学传感与测量[M].北京:电子工业出版社,2001.202-204.[2]沈永行.从室温到1800 全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器[J].光学学报,2000,20(1).[3]叶林华,沈永行.蓝宝石光纤高温传感技术研究[J].浙江大学学报(自然科学版),1997,31(5).[4]马天,黄勇,杨金龙.光纤连接器[J].光学技术,2002,(3).(许雪军编发)(上接第56页)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,V 0也就从原来的5.1~30V 变成0~25V 。