实验二 单片开关式集成稳压器电路设计与调试

实验二 单片开关式集成稳压器电路设计与调试

一、实验目的

开关电源被誉为高效节能电源，由于内部器件工作在高频开关状态，所以它本身消耗的能量很低，电源效率可达85%，甚至90%以上，比普通线性集成电源（即串联调整式稳压电源）提高了将近一倍。开关式集成稳压器代表了稳压电源的发展方向。最初它只是用在通信卫星和宇宙飞船中，而现在愈来愈多的电子计算机、电子仪器设备、彩色电视机都普遍采用开关电源，开关电源的迅速推广，必将产生巨大的经济效益。

开关电源大多采用脉宽调制（PWM）方式，通过改变脉冲宽度来调节输出脉冲的占空比D，维持输出电压UO不变。

随着功率集成技术的发展，目前已能把功率开关管也集成在脉宽调制器的芯片中，封装成单片开关式集成稳压器，使外围电路大为简化。单片开关式集成稳压器的问世，更为开关电源的推广和普及创造了良好的条件。单片开关式集成稳压器的典型产品有ST公司生产的L4960（2.5A）。 本实验目的：

1. 通过实验，了解开关电源“高效、节能”的显著特点。 2. 掌握单片开关式集成稳压器L4960的电路设计。 3. 掌握L4960的调节原理及方法。 二、预习内容

1. 元器件明细表

名 称 单片开关式集成稳压器 快恢复电流二极管 储能电感L R1 R2 R3 实芯电位器RP C1 C2 C3 C4 C5 ， C6 连接线 铝散热板 ESAC85M（8A，90V） 150μH RJ-0.25W-15kΩ RJ-0.25W-4.3kΩ RJ-0.25W-2.2kΩ WS20-15kΩ 3300μF/50V电解电容 2200pF聚丙稀电容 0.033μF聚丙稀电容 2.2μF电解电容 220μF电解电容 自 制 自 制 1只 1只 1只 1只 1只 1只 1只 1只 1只 1只 2只 4根 1块 L4960 型 号 数 量 1片 2. L4960的工作原理

L4960采用7引线的S-7（即TO-220）封装，使用时需加散热器，输入电压范围UI=9～46V，输出电压范围UO=5.1～40V，最大输出电流IOM=2.5A，最大输出功率POM=100W，占空比调节范围D=0～100%，电源效率可达90%以上。

L4960内部框图见课本，主要包括：5.1V基准电压源和误差放大器；锯齿波振荡器；PWM比较器和功率输出级；软启动电路；输出限流保护电路；芯片过热保护电路。

C1是输入端滤波电容，R1、C3误构成差放大器的频率补偿网络，R2、C2是锯齿波振荡器的定时电阻和定时电容。振荡频率f0 =1/R2C2。现取R2＝4.3kΩ，C2=2200pF，则f0?100kHz。C4是软起动电容，以保证输出电压缓慢的建立，对芯片起到保护作用。L是储能电感，C5是储能电容兼滤波电容，VD1是续流二极管。取样电阻R3、R4组成分压器，改变两电阻的比值即可调节输出电压UO，有关系式

UO=(1?R4)?5.1V R3L4960的基本工作过程是：输出电压UO经过R3、R4取样，送到误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的5.1V基准电压进行比较，得到误差电压Ur，再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和输出电路，使UO保持不变。

3．L4960的应用电路

L4960的应用电路见图2。R4采用15kΩ实芯电位器，R3取2.2kΩ。利用公式不难求出，当R4＝0时，UO＝5.1V；当R4＝15kΩ时，UO=(1?15kΩ)?5.1V?40V。输出电压调整范围为5.1~40V。由于本实验板的2.2kΩUI取自直流稳压电源，限定为30V，故输出电压的实际调整范围约为5.1~28V（空载时可达29V）。实际电路将C5与C6并联后作为滤波电容，以减小等效电感。

设计电路时应将信号地线与功率地线分开布置，最后在输出端汇合。 4．使用注意事项

（1）L4960本身最大功耗为7W，使用时必须设计合适的铝散热板。 （2）尽管L4960内部有较完善的保护电路，仍须防止输出端短路。特别是带负载后，短路时间一旦超过规定时间，就会造成稳压器的永久性损坏！

图2

（3）为防止损坏芯片和滑线变阻器，做实验时，输入电压不得超过30V，输出电流（即负载电流）不得超过1A。例如，在极端情况下，取UO＝30V，IO＝1A，则负载电阻RL＝30Ω。使用滑线变阻器作负载时，要求RL≥30Ω！ 三、实验仪器

1. HY1711-2型直流稳压电源 1台 2. SS7802型双踪示波器 1台 3. VC890D型数字万用表 1块 4. RXH-A14型滑线变阻器 1台 5.小螺丝刀 1把 四、实验内容

1. 给直流稳压电源通电，将电源电压（即L4960的输入电压UI）调整到30V。 2. 接通实验板输入电压UI的电源。注意！先按正确极性连线，后打开稳压电源。

3. 用示波器观察L4960第5脚的波形，画出波形图，并根据测出的周期，算出振荡频率fo值。 4. 空载实验（不接负载）

① 切断电源，将R4调整到0Ω位置（用小螺丝刀将RP逆时针转到头）。打开电源，利用数字万用表的20V DC挡测UO值。

② 将R4调整到最大阻值（用小螺丝刀将RP顺时针转到头）。用数字万用表的200V DC挡测UO值。记下UO空载调整范围。

5. 带负载后的实验（R4仍保持在最大阻值）： ① 关闭电源，接上滑线变阻器作为假负载RL。

② 将RL调整到200Ω位置（可用数字万用表的2kΩ挡检测电阻值）。打开

电源，利用数字万用表的200V DC挡测UO值。

③ 将RL分别调至100Ω，50Ω，30Ω位置，重复步骤②的内容。

注意：调RL之前必须先关掉电源，并且RL不得低于30Ω，更不得短路！为保证RL值准确，每次调整时要用数字万用表的200Ω挡检测RL电阻值，符合实验要求后才允许通电实验。

6. 在负载RL＝30Ω的情况下，维持UI＝30V不变，用螺丝刀调整RP，同时用数字万用表的200V DC挡测UO值，观察UO能否连续变化。同时用示波器观察L4960第7脚波形，了解占空比的变化规律：D↑→UO↑，D↓→UO↓。

7. 关机，清理实验台和实验室。 五 实验报告要求

1. 整理数据

R2/kΩ 空载（RL→?） RL ＝30Ω 表1 振荡频率fo C2/pF 表2 输出电压UO的调整范围

fo/kHz 实测值 理论计算值 2. 通过本实验你对开关电源是“高效节能电源”的说法有何认识？举例说明。 提示：当D ≈100％时可近似认为IO＝II（II是开关电源的输入直流电流）。则电源效率??UO?100%，可分别计算一下UI＝30V时，在空载和RL＝30Ω这两种UI情况下的η值，并与线性电源相比较，从中即可得出结论。

3.使用L4960时有哪些注意事项？（不作解释）。 RL/Ω? 200 100 表3 开关电源输出功率PO* UI =30/V IO/A 纹波电压/UP-P PO/W 50 30 * UI保持30V。IO?UO?PO?IO?UO，IO不用实际测量，计算出即可。 RL4. 已知L4960的TjM为150℃，PDM＝7W，设TA＝40℃，L4960采用S-7封装，

RθA＝7℃/W，拟采用2mm厚铝板，试设计铝散热板之表面积应取多大？ 5. 通过本实验你有何收获和体会？