LM2596 Step-Down Converter: Návrh obvodu, účinnost a zatěžovací testování

onsemi LM2596 je regulátor s nastavitelným výstupem a nielineární buck měnič, který převádí vyšší DC vstup na nižší regulovaný výstup. Pracuje v rozsahu od 4,5 V do 40 V a může dodávat zátěže až do 3 A, pokud induktor, záchytná dioda, kondenzátory, rozložení PCB a tepelný návrh splňují požadavky technického listu. Přepínáním energie skrze induktor namísto rozptylování nadbytečného napětí jako tepla, může fungovat efektivněji než lineární regulátor. Tento článek pokrývá jeho pinout, provoz, specifikace, návrh 12 V na 5 V, účinnost, rozložení PCB a zatěžovací testování.

Katalog

Obrázek 1. LM2596

LM2596 Pinout and Packages

Obrázek 2. Možnosti balení LM2596 a funkce pinů

onsemi LM2596 používá 5-pinovou konfiguraci a je nabízena v baleních TO-220 a D²PAK. Technický list ukazuje dvě varianty TO-220 s různými tvary vodičů a jednu variantu D²PAK pro povrchovou montáž.

Možnosti balení LM2596

onsemi balení	Typ montáže	Poznámky
TO-220, TV přípona, případ 314B	Protržení	Ohnutá verze TO-220
TO-220, T přípona, případ 314D	Protržení	Rovná verze TO-220
D²PAK, D2T přípona, případ 936A	Povrchová montáž	Balení pro povrchovou montáž s napájením

Toto jsou specifické názvy a čísla případů onsemi. Jiní výrobci mohou používat různé přípony nebo kódy balení pro elektricky ekvivalentní zařízení LM2596.

Funkce pinů LM2596

Pin	Název	Funkce
1	VIN	Připojení k napájecímu DC vstupu
2	Výstup	Přepínací uzel připojený k induktoru a záchytné diodě
3	Zem	Referenční zem pro regulátor
4	Zpětná vazba	Senzor pro výstupní napětí pro regulaci
5	ON/OFF	Aktivuje nebo vypíná regulátor

Pro onsemi LM2596 platí stejné pět elektrických funkcí pinů pro zobrazené verze balení. V nastavitelné verzi je pin Zpětná vazba připojen k externímu děliči odporu, který nastavuje výstupní napětí.

Architektura a pracovní princip

Architektura LM2596

Obrázek 3. Interní blokové schema LM2596 a typická aplikace buck měniče

LM2596 je nesynchronní buck regulátor, který integruje hlavní řídicí obvod a výkonový spínač o proudu 3 A v jednom IC. Jeho vnitřní architektura zahrnuje referenci 1,235 V, chybový zesilovač, komparátor, oscilační obvod 150 kHz, zámek, ovladač spínače, obvod pro omezení proudu, tepelnou ochranu a ovládání ON/OFF. Externí induktor, dioda, která zachycuje energii, a výstupní kondenzátor tvoří fázi přeměny a filtrace energie. V nastavitelném provedení snímá odporová síť zpětné vazby výstupní napětí a vrací škálované napětí na pin zpětné vazby pro regulaci.

Pracovní princip LM2596

Během provozu LM2596 opakovaně přepíná svůj interní výkonový tranzistor na normální frekvenci 150 kHz. Když se spínač zapne, proud teče z vstupu přes spínač a induktor k zatížení, čímž se ukládá energie v induktoru. Když se spínač vypne, induktor udržuje proud, který teče přes externí diodu. Výstupní kondenzátor vyhlazuje přepínací vlnu a zásobuje zatížení mezi intervaly přepínání. Obvod zpětné vazby neustále porovnává snímané výstupní napětí s vnitřní referencí a upravuje poměr pracovní doby spínače, aby udržoval požadované výstupní napětí, jak se mění vstupní napětí nebo zatížení. Při nadměrném proudu nebo teplotě chrání regulátor vestavěné obvody pro omezení proudu a tepelnou ochranu; vážné přetížení může také způsobit pokles přepínací frekvence.

Klíčové specifikace LM2596

Specifikace	Hodnota
Topologie regulátoru	Nesynchronní krokový buck regulátor
Rozsah provozního vstupního napětí	4.5–40 V
Rozsah výstupního napětí nastavitelný	1.23–37 V
Výstupní proud zatížení	Až 3.0 A
Referenční napětí zpětné vazby	1.23 V nominálně
Přepínací frekvence	150 kHz typicky
Nasycovací napětí spínače	1.5 V typicky
Maximální pracovní cyklus ON	Přibližně 95%
Klidový proud	5 mA typicky
Standby proud	80 µA typicky
Ovládání ON/OFF	ON pod 1.6 V nebo když je otevřený; OFF nad 1.6 V
Rozsah provozní teploty spojení	−40 °C až +125 °C
Ochranné funkce	Omezování proudu po cyklech a tepelná ochrana
Kompenzace smyčky	Interní
Rodiny pouzder	TO-220 a D²PAK
Úroveň citlivosti na vlhkost	MSL 1

Navrhování obvodu onsemi LM2596 pro 12 V na 5 V

Obrázek 4. Typický aplikační obvod LM2596 Nastavitelný 12 V na 5 V

Nastavitelný LM2596 používá dělič resistory pro nastavení výstupního napětí. Rovnice výstupního napětí je:

$$V_{\text{OUT}}=V_{\text{REF}}(1+\frac{R_2}{R_1})$$

kde V_REF je přibližně 1.23 V, R₁ je připojen z pinu zpětné vazby na zem a R₂ je připojen z regulovaného výstupu na pin zpětné vazby.

Pro výpočet R_2 pro požadované výstupní napětí:

$$R_2=R_1(\frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{REF}}}-1)$$

Pro výstup 5 V s R₁ = 1.0" k" Ω:

$$R_2=1.0\text{kΩ}(\frac{5\text{V}}{1.23\text{V}}-1)\approx 3.07\text{kΩ}$$

Použitím rezistoru 3.1 kΩ uvedeného v typickém aplikačním obvodu:

$$V_{\text{OUT}}=1.23\text{V}(1+\frac{3.1\text{kΩ}}{1.0\text{kΩ}})\approx 5.04\text{V}$$

Proto hodnota 3.1 kΩ vytváří výstup blízký nominálnímu cíli 5 V.

Pro ideální buck konvertor je přibližný pracovní cyklus:

$$D\approx \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}$$

Pro vstup 12 V a výstup 5 V:

$$D\approx \frac{5\text{V}}{12\text{V}}\approx 0.417=41.7\text{\%}$$

Toto je ideální odhad. Skutečný pracovní cyklus se liší kvůli napěťovým poklesům přes interní spínač, Schottkyho diodu, induktor a připojení na PCB.

Při výstupním zatížení 3 A je výstupní výkon:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{OUT}}=V_{\text{OUT}}{I}_{\text{OUT}}\\ P_{\text{OUT}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\end{array}$$

Hodnota 15 W je výstupní výkon, nikoli výkon, který ztrácí LM2596. Kontinuální provoz 3 A stále závisí na induktoru, diodě, kondenzátorech, uspořádání PCB, chlazení a okolní teplotě.

Účinnost a tepelný výkon LM2596

Účinnost porovnává DC výkon dodaný do zatížení s DC výkonem odebíraným ze vstupu:

$$\eta =\frac{P_{\text{OUT}}}{P_{\text{IN}}}\times 100\text{\%}=\frac{V_{\text{OUT}}{I}_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}{I}_{\text{IN}}}\times 100\text{\%}$$

onsemi uvádí typickou účinnost 73 % pro svůj testovací obvod LM2596 při V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, I_OUT = 3 A a T_J = 25 °C. V tomto pracovním bodě:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{OUT}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\\ P_{\text{IN}}\approx \frac{15\text{W}}{0.73}\approx 20.55\text{W}\\ P_{\text{LOSS,total}}\approx 20.55\text{W}-15\text{W}\approx 5.55\text{W}\end{array}$$

Vypočtená hodnota 5.55 W je celková ztráta měniče, nejen výkon ztracený uvnitř LM2596. Zahrnuje ztráty v interním spínači, Schottkyho diodě, induktoru, kondenzátorech a připojeních na PCB. Protože 73 % je typicky měřená hodnota, vypočtený výkon a ztráty jsou přibližné, nikoli zaručené výsledky.

onsemi poskytuje následující zjednodušený odhad výkonu ztraceného uvnitř regulátoru:

$$\begin{array}{c}D\approx \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}\\ P_{\text{IC}}\approx \left(V_{\text{IN}}{I}_Q\right)+(D\times I_{\text{OUT}}\times V_{\text{SAT}})\end{array}$$

Přibližná teplota jFunction v ustáleném stavu bez chladiče je:

$$T_J\approx T_A+P_{\text{IC}}\times R_{\theta \text{JA}}$$

Pouze výkon ztracený uvnitř LM2596 by měl být použit jako PIC. Nepoužívejte celkovou ztrátu měniče 5.55 W v rovnicí teploty spojení. Provoz při maximálním zatížení může vyžadovat chladič pro pouzdro TO-220 nebo dostatečné PCB mědi pro balení D²PAK. Tepelné vypnutí a omezení proudu jsou ochranné funkce a neměly by být používány jako normální ovládací prvky.

LM2596 PCB Rozložení, Ripply a EMI

Rozložení PCB silně ovlivňuje stabilitu LM2596, výstupní ripple a elektromagnetickou interferenci. Umístěte CIN, D1, L1 a COUT blízko regulátoru. Udržujte cesty s vysokým proudem krátké a široké, ale minimalizujte plochu mědi připojenou k pinu 2, protože tento spínač nese rychle se měnící napětí.

Pro pevný LM2596-5.0, připojte pin 4 FB přímo k regulovanému výstupu po L1, nejlépe poblíž kladného terminálu COUT. Držte tuto stopu daleko od spínacího uzlu, diody a induktoru. Použijte nízkoimpedanční cestu země a vyhněte se průtoku vysokých proudů diod nebo kondenzátorů přes zemní spojení zpětné vazby.

Přibližný špičkový ripple proud induktoru je:

$${\Delta I}_L\approx \frac{V_{\text{OUT}}(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}})}{V_{\text{IN}}L{f}_S}$$

Pro V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, L = 33 µH a f_S = 150 kHz:

$${\Delta I}_L\approx 0.59\text{A špičkově na špičkové}$$

Ripple výstupního napětí je přibližně:

$${\Delta V}_{\text{OUT}}\approx {\Delta I}_L\times \text{ESR}+\frac{{\Delta I}_L}{8f_S{C}_{\text{OUT}}}$$

Nižší ESR kondenzátoru obvykle snižuje ripple, ale kondenzátor musí zůstat v rámci doporučení TI pro kapacitu a ESR pro stabilní provoz. U zavřeného jádra nebo stíněného induktoru lze také snížit vazbu magnetického pole a vyzařovanou EMI.

Měřte ripple přímo přes COUT s krátkým osciloskopickým zemním pružinovým kabelem. Dlouhý vodič země sondy může zachytit spínací šum a zobrazit oscilační kmitání, které ve skutečnosti na výstupu není přítomno. Pokyny pro komponenty a rozložení by měly následovat dokumentaci TI k LM2596.

Holý LM2596 IC vs LM2596 Modul

Holý LM2596 od onsemi je pouze IC regulátoru spínání. Vyžaduje externí induktor, Schottkyho diodu, kondenzátory, rezistory zpětné vazby a správně navržené PCB. Modul LM2596 kombinuje tyto součásti na jedné desce. Proto hodnocení 3 A IC od onsemi neprokazuje, že každý modul může trvale dodávat 3 A.

Obrázek 5. Holý LM2596 IC vs LM2596 DC-DC Buck Converter Modul

Porovnání	Holý LM2596 IC	Modul LM2596
Zahrnuté součásti	Pouze IC regulátoru	Regulátor, induktor, dioda, kondenzátory, součásti zpětné vazby a PCB
Výrobce zařízení	Identifikováno podle úplného čísla dílu onsemi	Nelze předpokládat na základě názvu modulu nebo označení IC
Nastavení výstupu	Nastavitelné externím děličem zpětné vazby	Běžně nastavitelné pomocí vestavěného potenciometru nebo pevných rezistorů
Kapacita proudu	Navrženo pro zátěže až 3 A, když externí komponenty, PCB a chlazení splňují požadavky onsemi	Kontinuální proud je omezen IC, diodou, induktorem, kondenzátory, stopami na PCB a chlazením
Rozsah vstupu	Provozní rozsah 4,5–40 V; stále je vyžadována vhodná bezpečnostní rezerva	Může být nižší kvůli kapacitátorům, diodám, konektorům nebo hodnocení PCB
Výběr komponentů	Řízeno a zdokumentováno návrhářem obvodu	Závisí na výrobci modulu a nemusí být dokumentováno
Tepelný výkon	Určeno pouzdrem TO-220 nebo D²PAK, mědí na PCB, chladičem a prouděním vzduchu	Často omezeno malými měděnými plochami a omezeným prouděním vzduchu
Ověření	Lze vypočítat, zdokumentovat a otestovat během vývoje	Musí být zkontrolováno a zatíženo před nepřetržitým provozem při vysokém proudu
Nejlepší využití	Systémy na míru a výrobní návrhy vyžadující kontrolované komponenty a uspořádání	Výroba prototypů a testované aplikace s nízkým až středním výkonem

Testování zátěže a validace LM2596

Testování zátěže potvrzuje, zda LM2596 obvod nebo modul může nepřetržitě udržovat 5 V bez nadměrného zvlnění, poklesu napětí nebo přehřátí. Následující je doporučená validační metoda a neměla by být prezentována jako data měřená autorem, pokud test nebyl dokončen.

Požadované testovací vybavení

Použijte nastavitelný DC zdroj, elektronickou zátěž nebo výkonové rezistory, digitální multimetry, oscilloskop a termočlánky nebo termokameru. Zaznamenejte přesnost přístroje, okolní teplotu, vstupní napětí, hodnoty komponentů, pouzdro regulátoru a podmínky chlazení.

Měřte napětí přímo na terminálech měniče. Tenké měřící kabely mohou způsobit pokles napětí a produkují zavádějící výsledky.

Test zátěže s postupným zvyšováním

Nastavte vstup na 12 V a potvrďte, že výstup je přibližně 5 V před připojením těžké zátěže. Zvyšujte proud postupně, spíše než okamžitě aplikovat 3 A.

Testovací fáze	Navrhovaná zátěž	Měření
Počáteční kontrola	Bez zátěže nebo minimální bezpečná zátěž	Vout a vstupní proud
Světlá zátěž	0,10–0,20 A	Vout, zvlnění a teplota
Střední zátěž	0,50–1,00 A	Vin, Iin, Vout, Iout a účinnost
Vysoká zátěž	1,50–2,00 A	Regulace napětí a teploty komponentů
Maximální test	2,50–3,00 A, pouze pokud je to bezpečné	Zvlnění, účinnost a tepelná stabilita
Přechodový test	Přechod mezi lehkou a vysokou zátěží	Přesah, podhodnocení a doba zotavení

Nechte teplotu stabilizovat na každém hlavním bodě zátěže. Zastavte test, pokud se výstup zhroutí, regulátor opakovaně vstoupí do limitu proudu nebo tepelně se vypne, nebo když jakákoliv součástka přiblíží své hodnocené teplotě.

Měřená případová studie a charakterizace výrobce

Bentoutou a kol. (2023) postavili prototyp LM2596, aby převedli čtyřčlánkový lithium-iontový bus vzdělávacího nanosatelitu PEDAGO-SAT, přibližně 16,8 V, na 12 V. Jejich testovací stanice používala DC zdroj, elektronickou zátěž, multimetr, oscilloskop a proudový snímač. Článek popisuje jeden prototyp; počet replik nebyl hlášen. Testy pokryly přibližně 0,7 A, 2,1 A a 3,0 A. Při 2,099 A byly vstup a výstup 16,72 V a 11,93 V; naměřené vstupní a výstupní výkony byly 28,52 W a 25,04 W, což dává 88% účinnost. Zvlnění napětí a proudu bylo 244 mV a 60 mA. Při 3,0 A účinnost klesla na 85%. Přesnost přístroje, okolní teplota, délka zkoušky a kvalifikace v prostorovém prostředí nebyly hlášeny. Výsledek podporuje laboratorní požadavek 2,1 A, nikoli univerzální schopnost LM2596.

LM2596 vs LMR51430 vs MP1584

Tyto regulátory mohou dodávat až 3 A, ale liší se v rozsahu vstupu, metodě přepínání, velikosti pouzdra, chování účinnosti a stavu životního cyklu.

Specifikace	onsemi LM2596	TI LMR51430	MPS MP1584
Vstupní rozsah	4,5–40 V	4,5–36 V	4,5–28 V
Výstupní proud	Až 3 A	3 A nepřetržitě	Až 3 A
Topologie	Nesynchronní buck	Synchronní buck	Nesynchronní buck
Frekvence přepínání	150 kHz fixní	500 kHz nebo 1,1 MHz fixní možnosti	Programovatelná až 1,5 MHz
Externí dioda	Vyžaduje se	Není vyžadováno; synchronní MOSFETy jsou integrovány	Vyžaduje se
Pouzdro	5-pin TO-220 nebo D²PAK	6-pin SOT-23	Tepelně vylepšený SOIC-8E
Chování při lehké zátěži	Vstupuje do režimu přerušované kondukce při lehkých zátěžích	Verze PFM zlepšují účinnost při lehké zátěži; verze FPWM udržují provoz s konstantní frekvencí	Snižuje frekvenci přepínání při lehkých zátěžích
Stav produktu	Aktivní; ověřte dostupnost požadovaného výstupu a přípony balení	Aktivní	Nedoporučuje se pro nové návrhy; zůstává dostupné pro stávající zákazníky
Nejlepší využití	Návrhy vyžadující vstup až 40 V, jednoduchý měnič 150 kHz nebo větší balení vhodné pro ruční pájení	Kompaktní nové návrhy vyžadující vyšší přepínací frekvenci, integrovanou synchronní rectifikaci a lepší možnosti při nízkém zatížení	Podpora stávajících kvalifikovaných návrhů; vyhněte se jeho výběru pro nové produkty

Technické reference

• onsemi. LM2596: 3.0 A, Step-Down Switching Regulator. Rev. 1, Publikace Č. LM2596/D, prosinec 2022.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – LM2596 3 A Buck Demo Board Schéma. Rev. 1.0.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – LM2596 3 A Buck Demo Board Testovací Procedura. Rev. 1.0.

• onsemi. LM2596 Evaluace Deska Seznam Materiálů. LM2596ADBCKGEVB.

• onsemi. TO-220 5-Pin Offset Mechanický Rozměr Pouzdra, Pouzdro 314B-05. Rozměry balení.

• onsemi. D²PAK 5-Pin Mechanický Rozměr Pouzdra, Pouzdro 936A-02. Rozměry balení.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Může LM2596 udržovat výstup 5 V, pokud vstupní napětí klesne blízko 5 V?

Ne vždy. Buck regulátor vyžaduje dostatečný rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem. Jak se V_"IN" blíží V_"OUT" , LM2596 dosáhne svého maximálního pracovního cyklu a výstup může spadnout pod 5 V. Zajistěte adekvátní rezervu vstupního napětí pro spolehlivou regulaci.

2. Může být LM2596 použit přímo jako nabíječka baterií?

Ne pouze se standardním regulátorem. Nabíjení baterií normálně vyžaduje kontrolovaný nabíjecí proud, napěťové limity, ukončení nabíjení a ochrany přiměřené chemii baterie. Omezovač proudu LM2596 je funkce ochrany proti poruchám, nikoli přesná kontrola nabíjecího proudu. Použijte dedikovaný integrovaný obvod nabíječky baterií nebo správně navržený obvod konstantního proudu / konstantního napětí.

3. Může být LM2596 použit přímo s 24 V napájením k výrobě 5 V?

Ano. Napájení 24 V je v rozsahu provozu LM2596. Nicméně větší převodní poměr může zvýšit ztráty při přepínání a zatížení komponentů. Diody, induktory, kondenzátory, rozložení PCB a tepelný design musí být proto vybrány pro skutečné vstupní napětí a zatížení.

4. Poskytuje LM2596 ochranu proti obrácené polaritě vstupu?

Ne. Připojení vstupního zdroje s obrácenou polaritou může poškodit regulátor a další komponenty obvodu. Přidejte sériovou diodu nebo MOSFET pro ochranu proti obrácené polaritě, pokud je možné nesprávné připojení zdroje.

5. Co se stane, pokud se induktor LM2596 saturuje při vysokém zatížení proudu?

Saturace induktoru snižuje efektivní indukčnost, což způsobuje ostrý nárůst vrcholového proudu a zvlnění. To může způsobit přehřátí, nestabilní výstup nebo provoz omezovače proudu. Vyberte induktor, jehož hodnocení proudu saturace přesahuje vypočítaný vrcholový induktorový proud s přiměřenou rezervou návrhu.

6. Poskytuje LM2596 elektrickou izolaci mezi svým vstupem a výstupem?

Ne. LM2596 je neizolovaný buck regulátor, takže vstup a výstup sdílejí společnou zem. Aplikace vyžadující galvanickou izolaci musí použít topologii izolovaného DC–DC měniče.

7. Mohou být některé výstupy LM2596 připojeny paralelně, aby bylo dosaženo více než 3 A?

Obvykle by neměly být připojovány přímo paralelně. Malé rozdíly ve výstupním napětí mohou způsobit nerovnoměrné sdílení proudu, což umožní jednomu regulátoru nést většinu zatížení. Spolehlivý paralelní provoz vyžaduje další obvody pro sdílení proudu nebo regulátory speciálně navržené pro tento účel.