Перейти к содержанию

Понижающий модуль на LM2596: схема, расчёт и почему он греется

Плата с LM2596, дросселем и подстроечником — самый распространённый понижающий модуль. Разбираем её схему по даташиту TI: как делитель задаёт выход и с каким разбросом, как выбрать дроссель по номограмме, почему конденсаторы выбирают по току пульсаций, а не по ёмкости, сколько тепла выделяется при 2 А и какие отказы встречаются чаще всего.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

LM2596 — понижающий импульсный стабилизатор TI на 3 А с встроенным ключом и частотой 150 кГц. Регулируемая версия LM2596-ADJ стоит на большинстве готовых модулей: на плате микросхема, входной и выходной электролиты, дроссель, диод Шоттки и делитель обратной связи, один из резисторов которого — подстроечный. Как выставить напряжение подстроечником, рассказано в ответе «Как настроить выходное напряжение модуля LM2596?», параметры микросхемы — на странице LM2596. Здесь — расчёт обвязки по даташиту на примере 5 В и 2 А.

Коротко

Вход
4,5–40 В, предельно 45 В
Опорное на FB
1,23 В (1,18–1,28 В)
Частота
150 кГц (110–173 кГц)
Ограничение тока
3,4–7,5 А
Падение на ключе
1,16 В, до 1,5 В при 3 А
Пример
10–16 В → 5 В, 2 А, 47 мкГн

Схема

Понижающий преобразователь на LM2596-ADJ, как на готовом модулеВход 10–16 В через электролитический конденсатор CIN 470 мкФ на 35 В подключён к выводу VIN (1) микросхемы DA1 LM2596-ADJ. Выводы GND (3) и ON/OFF (5) соединены с общим проводом. С вывода OUT (2) катодом подключён диод Шоттки VD1 на 3 А, анодом на общий провод, и дроссель L1 47 мкГн к выходу. На выходе — конденсатор COUT 470 мкФ с малым ESR и делитель обратной связи: R2 3,09 кОм от выхода к выводу FB (4) и R1 1 кОм от FB на общий провод; на модулях один из резисторов делителя — подстроечный, на схеме он показан на месте R2. Выход 5,03 В при 2 А.+Uвх 10–16 В+CIN470 мкФDA1LM2596-ADJVIN1OUT2FB4GND3ON/OFF5VD1Шоттки 3 АL147 мкГн+COUT470 мкФR23,09 кОмR11 кОм+5 В, 2 АUвых = 1,23 В · (1 + R2 / R1) = 5,03 Вна модуле один из резисторов подстроечный

Ток идёт так же, как в любом понижающем преобразователе: пока ключ внутри LM2596 замкнут, дроссель L1 запасает энергию от входа, когда ключ размыкается — ток дросселя продолжает течь через диод VD1. Выход сглаживает COUT, а делитель R1/R2 возвращает долю выходного напряжения на вывод FB. Микросхема меняет долю времени, когда ключ замкнут, так, чтобы на FB было 1,23 В.

Выводы корпусов TO-263 и TO-220 одинаковы (табл. 6-1): 1 — вход, 2 — выход ключа, 3 — общий, 4 — обратная связь, 5 — ON/OFF. Вывод 5 включает регулятор низким уровнем; если он не нужен, его соединяют с общим проводом или оставляют свободным.

Расчёт

Пример: вход 10–16 В (например, адаптер 12 В), выход 5 В, ток до 2 А — те же условия, что TI разбирает в разд. 9.1.6, но с регулируемой версией.

  1. Делитель. По ур. 5 даташита
Uвых=1,23 В⋅(1+R2R1).U_\text{вых} = 1{,}23\ \text{В} \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right).

TI советует R1 от 240 Ом до 1,5 кОм: малое сопротивление меньше ловит помехи. При R1 = 1 кОм для 5 В нужно R2 = 3,07 кОм; из ряда E96 ближайшие 3,01 кОм (4,93 В) и 3,09 кОм (5,03 В). Берём 3,09 кОм. Опорное напряжение гарантировано в пределах 1,193–1,267 В при 25 °C и 1,18–1,28 В во всём диапазоне температур, поэтому выход — от 4,83 до 5,24 В, а с допуском резисторов 1 % — от 4,75 до 5,32 В (наш расчёт по худшему сочетанию). Ток вывода FB — до 100 нА: на R2 это 0,3 мВ, им можно пренебречь. Если нужна точность лучше ±5 %, выход подстраивают по факту — для этого на модуле и стоит подстроечник.

  1. Дроссель. TI выбирает индуктивность по номограмме: сначала считают произведение вольт-микросекунд при наибольшем входном напряжении (ур. 8). В нём доля времени, когда ключ замкнут,
D=Uвых+UDUвх−Uнас+UD,D = \frac{U_\text{вых} + U_D}{U_\text{вх} - U_\text{нас} + U_D},
E⋅T=(Uвх−Uвых−Uнас)⋅D⋅1000150,E \cdot T = (U_\text{вх} - U_\text{вых} - U_\text{нас}) \cdot D \cdot \frac{1000}{150},

где падение на ключе 1,16 В, на диоде 0,5 В, а 150 — частота в килогерцах. При 16 В получается 23,5 В·мкс. На номограмме рис. 9-8 точка 23,5 В·мкс и 2 А попадает в область L39 — 47 мкГн, ток дросселя 3,5 А по табл. 9-1. Точка лежит близко к границе с L31 (тоже 47 мкГн, но на 2,2 А), которая при этом E·T проходит около 1,8 А (по графику, ориентировочно). Размах пульсаций тока — наш расчёт для 47 мкГн и 150 кГц: 0,32 А при 10 В, 0,40 А при 12 В и 0,50 А при 16 В, пиковый ток — 2,25 А. Но частота во всём диапазоне температур может опуститься до 110 кГц, а индуктивность у дросселя обычно с допуском ±20 %: при 110 кГц и 37,6 мкГн размах при 16 В — 0,85 А, пик — 2,43 А (наш расчёт). Это всё равно с запасом ниже наименьшего порога ограничения тока, 3,4 А. Ток насыщения дросселя должен быть не меньше пикового, то есть не меньше 2,5 А, — дроссель на 2,2 А из области L31 для 2 А мал, а L39 на 3,5 А подходит: насыщенный дроссель резко теряет индуктивность, и ключ уходит в ограничение тока (разд. 9.1.5).

Калькулятор ниже открыт с этим примером. Он не учитывает падения на ключе и диоде, поэтому его минимум, 45,8 мкГн, чуть ниже, чем по формуле TI (23,5 В·мкс / 0,5 А = 47 мкГн), но округляется тоже до 47 мкГн:

Исходные данные

Преобразователь
В

худший случай для расчёта

В
А

из даташита микросхемы

%

оценка: 85–95 %

%

от среднего тока, обычно 20–40 %

мВ

размах

мкГн

необязательно

мОм

необязательно: керамика — единицы мОм, электролит — десятки и сотни

Результат

Индуктивность дросселя
47 мкГн
минимум 45,8 мкГн, взят ближайший номинал E6 сверху
Ток насыщения дросселя — не меньше
2,3 Асредний ток 2 А плюс половина пульсаций
Пульсации тока дросселя
609 мАразмах
Коэффициент заполнения
39,1 %
Выходной конденсатор — не меньше
8,33 мкФпо ёмкости, без учёта ESR

Проверьте, что ток ограничения ключа микросхемы с запасом больше пикового тока, и сверьтесь с рекомендациями её даташита: значения дросселя и конденсаторов там часто заданы под конкретную компенсацию цепи обратной связи.

  1. Выходной конденсатор. Пульсации выхода — это размах тока дросселя, умноженный на ESR конденсатора (ур. 3). Для 50 мВ (1 % от 5 В) при 0,5 А нужен ESR не больше 0,1 Ом. TI рекомендует электролиты с малым ESR или танталовые от 82 до 820 мкФ, больше 820 мкФ не ставить; для выходов 4 и 6 В в табл. 9-6 — 470–560 мкФ. Номинальное напряжение — не меньше 1,5 выходного, а для малого ESR часто берут заметно выше: у электролитов на большее напряжение ESR меньше (рис. 9-2). У ESR есть и нижняя граница: со слишком «хорошим» конденсатором петля может возбудиться (разд. 9.1.3).

  2. Входной конденсатор. Его выбирают по допустимому току пульсаций: TI советует не меньше половины тока нагрузки при воздухе до 40 °C и 75 % — до 70 °C, то есть 1–1,5 А для нашего примера. Напряжение — не меньше 1,25 входного (в примере TI берёт 1,5 входного): для 16 В это конденсатор на 25 В и выше. Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью на входе может дать сильный звон на выводе VIN (разд. 9.2.2.2.6).

  3. Диод. Шоттки на ток не меньше 1,3 тока нагрузки — 2,6 А, — а если схема должна выдерживать длительное короткое замыкание выхода, на ток ограничения LM2596: при КЗ ток через диод идёт почти всё время. Обратное напряжение — не меньше 1,25 входного, здесь 20 В. Выпрямительные диоды серии 1N5400 и 1N4001 слишком медленные и не годятся (разд. 9.1.4).

КПД и нагрев

Основные потери LM2596 — падение на ключе. При 12 В на входе ключ замкнут около 49 % времени, и при 2 А микросхема рассеивает 1,16 В · 2 А · 0,49 ≈ 1,1 Вт, а с наибольшими 1,5 В из таблицы — 1,5 Вт. Диод добавляет 0,5 В · 2 А · 0,51 ≈ 0,5 Вт, ток покоя — ещё до 0,12 Вт. Это наша оценка без потерь переключения и в дросселе, поэтому КПД получается сверху: не больше 82–86 %. TI для версии на 5 В при 12 В и 3 А приводит типичные 80 %.

Медь под корпусом TO-263RθJAНагрев кристалла при 1,2–1,6 Вт
0,5 дюйм², односторонняя плата50 °C/Вт+60…81 °C
2,5 дюйм², односторонняя плата30 °C/Вт+36…49 °C

Если под корпусом около 0,5 дюйм² меди, при 2 А и 40 °C воздуха кристалл нагревается до 100–120 °C, при 60 °C — до 120–140 °C, близко к предельным 150 °C. Диод и дроссель греют ту же плату. Поэтому TI и пишет, что для токов больше 2 А нужны двусторонняя или многослойная плата с большой площадью меди или обдув (разд. 9.4.3). Если модуль стоит в закрытом корпусе, рассчитывайте на 1,5–2 А или добавьте радиатор.

Что проверить на готовом модуле

  • Диод и входной конденсатор. Правило TI «не меньше 1,25 входного» относится к обоим. Если на плате диод на 40 В — например, SS34 (Vishay doc. 88751), — то входное напряжение не стоит поднимать выше 32 В, хотя сама микросхема работает до 40 В.
  • Подстроечник. Если выход должен быть фиксированным, подстроечник заменяют постоянными резисторами по расчёту из шага 1 — тогда напряжение не собьют случайным поворотом.
  • Вывод ON/OFF. Чтобы выключать модуль от микроконтроллера, на вывод 5 подают уровень выше порога: во всём диапазоне температур выключение гарантировано выше 2 В, включение — ниже 0,6 В. Вывод выдерживает до 25 В. В выключенном состоянии LM2596 потребляет около 80 мкА.
  • Дроссель. Его ток насыщения должен быть не меньше пикового тока нагрузки. Если выход проседает при токе заметно меньше 3 А, а дроссель сильно греется, вероятно, он насыщается.

Детали

ПозицияДетальПримечание
DA1LM2596-ADJTO-263 на меди от 0,5 дюйм²
CIN470 мкФ, 35 В, low ESRток пульсаций не меньше 1 А
VD1Шоттки 3 Адля длительного КЗ — 5 А; обратное напряжение не меньше 20 В
L147 мкГнток насыщения не меньше 2,5 А; L39 по TI — 3,5 А
COUT470 мкФ, 16–35 В, low ESRESR не больше 0,1 Ом, не больше 820 мкФ
R11 кОм, 1 %от 240 Ом до 1,5 кОм
R23,09 кОм, 1 %или подстроечный

Почему не работает

  • На выходе почти входное напряжение. Подстроечник в крайнем положении, обрыв делителя или пробой ключа — разбор с порядком проверки в ответе «Почему LM2596 выдаёт на выходе входное напряжение?».
  • Выход проседает под нагрузкой. Мал запас по входу: вход должен быть выше выхода как минимум на падение на ключе (до 1,5 В при 3 А) и потери в дросселе. Ещё одна причина — насыщение дросселя: ключ уходит в ограничение тока.
  • Выход «звенит» или колеблется. Выходной конденсатор заменён на керамику или танталовый с очень малым ESR. Верните электролит из рекомендованных или добавьте конденсатор CFF параллельно R2 (разд. 9.1.2).
  • Модуль работал на столе и сбоит на морозе. ESR электролитов при −25 °C примерно втрое, а при −40 °C — до 10 раз выше, чем при комнатной температуре. Ниже −25 °C TI рекомендует танталовые конденсаторы.
  • Микросхема или диод перегреваются при замыкании выхода. При КЗ ток ограничения — от 3,4 до 7,5 А, и почти весь он идёт через диод. Диод на 3 А такой режим долго не выдержит.
  • Модуль вышел из строя в автомобиле или от источника на 48 В. Предельное входное напряжение микросхемы — 45 В, а в бортовой сети бывают выбросы в десятки вольт. Для автомобиля нужна защита входа и преобразователь на большее напряжение — см. «Питание 5 В от бортовой сети 12 В».

Частые вопросы

Какое входное напряжение можно подавать на модуль LM2596?

Микросхема работает от 4,5 до 40 В, предельно 45 В. Но модуль ограничивают и другие детали: TI требует, чтобы обратное напряжение диода было не меньше 1,25 входного, а номинал входного конденсатора — не меньше 1,25 входного. С диодом на 40 В это около 32 В на входе. Посмотрите маркировку диода и конденсаторов на своей плате.

Сколько ампер реально даёт модуль LM2596?

Микросхема рассчитана на 3 А, но при 3 А и плате с небольшой площадью меди она сильно греется. TI пишет, что для токов больше 2 А нужны двусторонняя или многослойная плата, большая площадь меди или обдув. Для маленького модуля без радиатора разумно рассчитывать на 2 А и проверять нагрев.

Можно ли поставить на выход керамические конденсаторы?

Только вместе с электролитом или танталом с заметным ESR. TI предупреждает, что при слишком малом ESR выходного конденсатора петля регулирования может стать неустойчивой и выход начнёт колебаться. Керамику добавляют параллельно для подавления выбросов, а основной конденсатор берут из рекомендованных типов.

Как отключать модуль от микроконтроллера?

Выводом 5 ON/OFF: ниже порога регулятор работает, выше — выключен и потребляет около 80 мкА. Во всём диапазоне температур надёжное выключение — выше 2 В, так что вывода 3,3 В достаточно. Если на модуле этот вывод соединён с общим проводом дорожкой, её придётся перерезать.

Источники

  1. Texas Instruments. LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator (SNVS124G, revised March 2023) — табл. 6-1 — выводы: 1 VIN, 2 Output, 3 Ground, 4 Feedback, 5 ON/OFF, ON/OFF ниже порога около 1,3 В — включён, до 25 В; разд. 7.1 — вход предельно 45 В, кристалл до 150 °C; разд. 7.3 — вход 4,5–40 В; разд. 7.4 — RθJA TO-263: 50, 30 и 20 °C/Вт при 0,5, 2,5 и 3 дюйм² меди, TO-220 — 50 °C/Вт; разд. 7.6 — КПД версии на 5 В 80 % при 12 В и 3 А; разд. 7.8 — VFB 1,23 В, 1,193–1,267 В при 25 °C и 1,18–1,28 В при −40…+125 °C; разд. 7.9 — ток FB до 50 нА (100 нА во всём диапазоне), частота 127–150–173 кГц, VSAT 1,16 В типично и до 1,4 В (1,5 В во всём диапазоне) при 3 А, ограничение тока 3,6–4,5–6,9 А при 25 °C и 3,4–7,5 А во всём диапазоне, ток покоя 5–10 мА, пороги ON/OFF 1,3 В (0,6 и 2 В во всём диапазоне); разд. 9.1.1 — входной конденсатор по току пульсаций: 50 % тока нагрузки при 40 °C, 75 % при 70 °C, напряжение не меньше 1,25 входного; разд. 9.1.3 — ESR выхода с верхней и нижней границей, пульсации обычно 1–2 % выхода, электролиты ниже −25 °C не рекомендуются, ESR в 3 раза выше при −25 °C и до 10 раз при −40 °C; разд. 9.1.4 — диод Шоттки, 1N5400 слишком медленный; разд. 9.1.5 — насыщение дросселя загоняет ключ в ограничение тока; разд. 9.1.6 — пример 5 В, 2,5 А, 10–16 В: 33 мкГн, 620 мА, ур. 1–3; разд. 9.2.2.2 — ур. 5–8: VOUT = VREF · (1 + R2/R1), R1 от 240 Ом до 1,5 кОм, E·T, номограмма рис. 9-8, табл. 9-1 (L39 — 47 мкГн, 3,5 А; соседняя L31 — 47 мкГн, 2,2 А); 9.2.2.2.3 — выход 82–820 мкФ, не больше 820 мкФ, напряжение не меньше 1,5 выходного; табл. 9-6; 9.2.2.2.5 — диод не меньше 1,3 тока нагрузки, при длительном КЗ — на ток ограничения, обратное напряжение не меньше 1,25 входного; 9.2.2.2.6 — керамика на входе может вызвать сильный звон; разд. 9.4.3 — при токе больше 2 А нужна двусторонняя или многослойная плата, медь или обдув
  2. Vishay. SS32, SS33, SS34, SS35, SS36: Surface-Mount Schottky Barrier Rectifiers (doc. 88751, revision 23-Apr-2020) — 3 А; SS34 — обратное напряжение 40 В; прямое напряжение при 3 А не больше 0,5 В у SS32–SS34

Нашли ошибку?

Смотрите также