Перейти к содержанию

LM2596 — понижающий импульсный стабилизатор на 3 А

LM2596 — понижающий импульсный стабилизатор со встроенным ключом на 3 А и частотой 150 кГц, которому снаружи нужны только дроссель, диод, конденсаторы и делитель. Разбираем по даташиту onsemi выводы, параметры, порядок расчёта внешних элементов и то, сколько тепла придётся отвести от микросхемы.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

LM2596 объединяет в одном корпусе всё, что нужно понижающему (buck) преобразователю, кроме дросселя, диода и конденсаторов: генератор 150 кГц, опорный источник, усилитель ошибки с внутренней коррекцией, ключ на 3 А, ограничение тока и тепловую защиту. Данные ниже — по даташиту onsemi, где LM2596 выпускается в регулируемом исполнении.

Коротко

  • Вход — 4,5–40 В (предельно 45 В); выход — от 1,23 до 37 В делителем.
  • Ток нагрузки — 3,0 А гарантированно; ограничение тока ключа — 4,2–6,9 А, типично 5,6 А.
  • Опорное напряжение на выводе Feedback — 1,23 В типично; 1,193–1,267 В при 25 °C, входе 8,5–40 В и нагрузке 0,5–3 А.
  • Частота — 150 кГц (135–165 кГц при 25 °C); при коротком замыкании падает примерно до 30 кГц.
  • Падение на ключе — 1,5 В типично, 1,8 В максимум при 3 А; максимальное заполнение — 95 %.
  • Ток потребления — 5 мА типично (10 мА максимум), в режиме выключения — 80 мкА.

Распиновка

ВыводОбозначениеНазначение
1Vinвход питания; рядом обязателен входной конденсатор
2Outputвыход ключа (эмиттер внутреннего транзистора) — к дросселю и катоду диода
3GNDобщий провод; с ним соединён теплоотвод корпуса
4Feedbackвход усилителя ошибки — к средней точке делителя R1–R2
5ON/OFFвыключение: высокий уровень выключает, низкий или свободный вывод — работа

Корпуса — пятивыводной TO-220 с прямыми или формованными выводами и D2PAK для поверхностного монтажа; нумерация выводов одинакова. Площадь меди вокруг вывода 2 onsemi советует делать минимальной, чтобы переключения не наводились на чувствительные цепи.

Параметры

ПараметрЗначениеУсловия
Напряжение питания4,5–40 В (предельно 45 В)рабочий диапазон
Опорное напряжение VFB1,193–1,267 В; 1,18–1,28 Ввход 8,5–40 В, нагрузка 0,5–3 А; 25 °C и −40…+125 °C
КПД73 % типично12 → 5 В, 3 А
Входной ток Feedback25 нА типично, 100 нА максимум25 °C
Частота генератора135–150–165 кГц; 120–180 кГц25 °C; весь диапазон
Падение на ключе1,5 В типично, 1,8 В максимум (2,0 В во всём диапазоне)3 А
Ограничение тока4,2–5,6–6,9 А (от 3,5 до 7,5 А во всём диапазоне)пиковый ток ключа
Ток потребления5 мА типично, 10 мА максимум
Ток в режиме выключения80 мкА типично, 200 мкА максимумON/OFF = 5 В, вход 40 В
Порог ON/OFF1,6 В; выключено от 2,2 В (2,4 В), включено до 1,0 В (0,8 В)25 °C (весь диапазон)
Тепловое сопротивлениеTO-220: 65 °C/Вт к среде, 5 °C/Вт к корпусу; D2PAK: 70 и 5 °C/Вт
Температура кристалла−40…+125 °C, предельно 150 °C

Если выходное напряжение из-за перегрузки или замыкания падает примерно на 40 %, частота снижается примерно до 30 кГц: так снижается минимальное заполнение и средняя мощность в микросхеме.

Расчёт обвязки

Порядок — по разделу Procedure даташита, пример — 12 → 5 В, 3 А.

1. Делитель. Выходное напряжение:

Uвых=Vref(1+R2R1),Vref=1,23 ВU_\text{вых} = V_\text{ref}\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right), \qquad V_\text{ref} = 1{,}23\ \text{В}

R1 — от 1 до 5 кОм, металлоплёночные резисторы 1 %. Для 5 В: R1 = 1 кОм, R2 = 3,0 кОм — 4,92 В; на типовой схеме даташита R2 = 3,1 кОм — 5,04 В.

2. Входной конденсатор — электролитический или танталовый с малым ESR рядом с выводами 1 и 3; в примере — 100 мкФ на 50 В. Его допустимый ток пульсаций должен быть больше 1,2 · d · Iнагр, где d = Uвых / Uвх: для примера — 1,2 · 0,42 · 3 = 1,5 А.

3. Диод — Шоттки, по току не меньше 1,2 · Iнагр, а чтобы выдержать замыкание выхода — на ток ограничения микросхемы; по обратному напряжению — не меньше 1,25 · Uвх max. В примере — 1N5824 на 30 В.

4. Дроссель. Индуктивность выбирают по графику рис. 18 даташита по произведению вольт-микросекунд E · T и току нагрузки; для примера это 33 мкГн. Дроссель должен быть рассчитан на 150 кГц и ток не меньше 1,15 · Iнагр. Пиковый ток дросселя:

Iпик=Iнагр+(Uвх−Uвых) tвкл2L,tвкл=UвыхUвх⋅1fI_\text{пик} = I_\text{нагр} + \frac{(U_\text{вх} - U_\text{вых})\, t_\text{вкл}}{2L}, \qquad t_\text{вкл} = \frac{U_\text{вых}}{U_\text{вх}} \cdot \frac{1}{f}

Для примера tвкл = 2,78 мкс и Iпик = 3 + 7 · 2,78 / (2 · 33) ≈ 3,3 А — с этим током и сравнивают ток насыщения дросселя. Как читать параметры дросселя, рассказано в статье «Катушки индуктивности и дроссели».

5. Выходной конденсатор — электролитический с малым ESR, лучше всего 220–1500 мкФ, на напряжение не меньше 1,5 · Uвых. ESR ограничен с двух сторон: большой даёт пульсации, а слишком малый — меньше 0,05 Ом, например у одного танталового конденсатора, — может вызвать генерацию. В примере — 470 или 220 мкФ на 35 В. Подробнее об этом параметре — на странице ESR.

6. Компенсирующий конденсатор CFF параллельно R2 повышает запас устойчивости, особенно при высоком входном напряжении:

Uвых, В246912152428
CFF, нФ4015521,510,60,6

Пульсации, пиковые токи и конденсаторы для любых напряжений считает калькулятор DC-DC, принцип работы схемы — в статье «Понижающий преобразователь».

Нагрев

Главный источник тепла в микросхеме — падение на ключе: пока он открыт, на нём 1,5 В при токе нагрузки. Для 12 → 5 В и 3 А это 1,5 · 3 · 0,42 ≈ 1,9 Вт. В TO-220 без радиатора тепловое сопротивление 65 °C/Вт даёт перегрев кристалла примерно на 120 °C — вместе с температурой воздуха это выше допустимых 125 °C. Поэтому на полном токе LM2596 ставят на радиатор: от кристалла к корпусу всего 5 °C/Вт. Подобрать радиатор поможет калькулятор радиатора. Весь преобразователь при КПД 73 % теряет около 5,5 Вт — часть из них приходится на диод и дроссель.

Заказные номера

НомерКорпусУпаковка
LM2596TADJGTO-220, 5 выводовтуба, 50 шт.
LM2596TVADJGTO-220, 5 выводов, формованные выводытуба, 50 шт.
LM2596DSADJGD2PAKтуба, 50 шт.
LM2596DSADJR4GD2PAKлента, 800 шт.

ADJ — регулируемое исполнение, G — бессвинцовое. Другие стабилизаторы — в разделе «Стабилизаторы напряжения».

Частые вопросы

Как задать выходное напряжение LM2596?

Делителем R1–R2 с выхода на вывод Feedback: Uвых = 1,23 · (1 + R2/R1). onsemi советует R1 от 1 до 5 кОм и металлоплёночные резисторы 1 %. Для 5 В при R1 = 1 кОм получается R2 = 3 кОм (4,92 В) или 3,1 кОм (5,04 В). Параллельно R2 ставят компенсирующий конденсатор 0,6–40 нФ, по таблице 1 для 5 В — 5 или 15 нФ.

Сколько ток выдаёт LM2596 на самом деле?

Гарантированный ток нагрузки — 3 А, порог ограничения тока ключа — 4,2–6,9 А (5,6 А типично). Но при 3 А микросхема выделяет заметное тепло: падение на ключе 1,5 В, и при 12 → 5 В только на нём теряется около 1,9 Вт. В TO-220 без радиатора (65 °C/Вт) это перегрев кристалла примерно на 120 °C, поэтому на полном токе нужен радиатор или медный полигон.

Как выключить LM2596?

Подать на вывод ON/OFF напряжение выше порога 1,6 В — гарантированно от 2,2 В при 25 °C и от 2,4 В во всём диапазоне температур, но не выше входного. Если вывод свободен или на нём меньше 1,0 В, стабилизатор работает. В выключенном состоянии он потребляет от входа около 80 мкА.

Какой диод ставить с LM2596?

Диод Шоттки: по току не меньше 1,2 тока нагрузки, а для устойчивости к короткому замыканию — на ток ограничения микросхемы; по обратному напряжению — не меньше 1,25 максимального входного. В примере даташита для 12 → 5 В и 3 А — 1N5824 на 30 В, на типовой схеме — 1N5822.

Источники

  1. onsemi. LM2596: 3.0 A, Step-Down Switching Regulator (LM2596/D, Rev. 1, December 2022) — с. 1 — выводы и корпуса; с. 2 — предельные режимы и тепловые сопротивления; с. 3 — назначение выводов и рабочий диапазон; с. 4 — электрические характеристики; с. 9–11 — порядок расчёта, табл. 1 — выходной и компенсирующий конденсаторы, рис. 18 — выбор дросселя; с. 14 — входной и выходной конденсаторы; с. 23 — заказные номера
  2. Microchip. AN1207: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II) (DS01207B) — понижающий преобразователь: коэффициент заполнения, пульсации тока дросселя, выбор конденсатора

Нашли ошибку?

Смотрите также