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LM2596开关电压调节器开关电压调节器LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。
固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,这更优化了LM2596的使用,极大地简化了开关电源电路的设计。
其封装形式包括标准的5脚TO-220封装(DIP)和5脚TO-263表贴封装(SMD)。
该器件还有其他一些特点:
在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在4%的范围内,振荡频率误差在15%的范围内;可以用仅80A的待机电流,实现外部断电;具有自我保护电路(一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路)特点特点3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出可调输出电压范围1.2V37V4%输出线性好且负载可调节输出电流可高达3A输入电压可高达40V采用150KHz的内部振荡频率,属于第二代开关电压调节器,功耗小、效率高低功耗待机模式,IQ的典型值为80ATTL断电能力具有过热保护和限流保护功能封装形式:
TO-220(T)和TO-263(S)外围电路简单,仅需4个外接元件,且使用容易购买的标准电感应用领域应用领域高效率降压调节器单片开关电压调节器正、负电压转换器典型应用典型应用(固定输出)LM2596-5.0LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004管脚图管脚图极限参数极限参数名称范围单位最大电源电压45V脚输入电压-0.325V“反馈”脚电压-0.325V到地的输出电压(静态)-1V功耗由内部限定-储存温度-65150静电释放(人体放电1)2000V气流焊(60秒)215TO-263红外线焊接(10秒)245焊接时的管脚温度TO-220波峰焊/电烙铁焊接(10秒)260最高结温150温度范围-40125工作条件电源电压4.540V注1:
人体放电模式相当于一个100PF的电容通过一个1.5K的电阻向每个管脚放电。
电气特性电气特性说明:
标准字体对应的项目适合于TJ=25时,带下划线的粗斜体字对应的项目适合于整个温度范围;系统参量系统参量(4)测试电路见图1符号符号参量参量条件条件典型值(典型值
(2)极限值(极限值(3)单位单位LM25963.3(见注14)VOUT输出电压4.75VVIN40V,0.2AILOAD3A3.33.168/3.1353.432/3.465VV(min)V(max)效率VIN=12V,ILOAD=3A73%LM25965.0(见注14)VOUT输出电压7VVIN40V,0.2AILOAD3A5.04.800/4.7505.200/5.250VV(min)V(max)效率VIN=12V,ILOAD=3A80%LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004符号符号参量参量条件条件典型值(典型值
(2)极限值()极限值(3)单位单位LM259612(见注14)VOUT输出电压15VVIN40V,0.2AILOAD3A12.011.52/11.4012.48/12.60VV(min)V(max)效率VIN=25V,ILOAD=3A88%LM2596ADJ(见注14)VFB反馈电压4.5VVIN40V,0.2AILOAD3AVOUT调为3V,电路图见图11.2301.193/1.1801.267/1.280VV(min)V(max)VIN=25V,VOUT=3V,ILOAD=3A73%效率VIN=25V,VOUT=15V,ILOAD=3A90%电气特性电气特性(所有输出)说明:
标准字体对应的项目适合于TJ=25时,带下划线的粗斜体字对应的项目适合于整个温度范围。
除非特别说明,VIN=12V对应于LM25963.3、LM25965.0、LM2596ADJ,VIN=24V对应于LM259612.ILOAD=500mA。
(见注14)LM2596XX符号符号参量参量条件条件典型值(典型值
(2)极限值()极限值(3)单位单位器件参数器件参数10nAIb反馈偏置电流只适用于输出可调节的情况,VFB=1.3V50/100nA(max)150KHz127/110KHz(min)fO振荡器频率见注5173/173KHz(max)1.16VVSAT饱和电压IOUT=3A(6,7)1.4/1.5V(max)最大工作周期(ON)见注7100%DC最小工作周期(OFF)见注80%4.5A3.6/3.4A(min)ICL极限电流峰值电流(6,7)6.9/7.5A(max)输出为0V(6,8)50A(max)2mAIL输出漏电流输出为-1V(9)30mA(max)5mAIQ静电流见注910mA(max)80AISTBY待机静电流ON/OFF脚=5V(OFF)(9)200/250A(max)LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004LM2596XX符号符号参量参量条件条件典型值(典型值
(2)极限值()极限值(3)单位单位JCTO-220或TO-2632/WJATO-263(10)50/WJATO-263(11)50/WJATO-263(12)30/WJA热阻TO-263(13)20/WON/OFF控制控制(测试电路见图1)1.3V低(调节器开)0.6V(max)VIHVILON/OFF脚逻辑输入门槛电压高(调节器关)2.0V(min)5AIHVLOGIC=2.5V(调节器关)15A(max)0.02AILON/OFF脚输入电流VLOGIC=0.5V(调节器开)5A(max)注2:
典型值是指在25下的数值,代表最常见的情况。
注3:
所有的极限参数都必须适合于室温(用正常字体表示)和极限温度(用带下划线的粗斜体字表示),所有室温下的极限参数都是经过测试得出的,所有的极限温度下的极限参数都可以通过使用相关的标准静态质量控制方法来加以保证。
注4:
二极管、电感、输入和输出端的电容以及调节输出电压的电阻等外接元件可能会影响开关调节器的系统性能。
当LM2596用在如图1所示测试电路中时,其系统性能如电气特性中系统参量所示。
注5:
当第二级电流极限功能启动时,开关频率会有所下降,下降的程度取决于过电流的严重程度。
注6:
输出管脚不连接电感、电容或二极管。
注7:
把反馈管脚和输出管脚断开,把反馈管脚连到0V,以强制输出开关晶体管导通。
注8:
把反馈管脚和输出管脚断开,把反馈管脚连到12V(当VOUT=3.3V、5V或ADJ时)或15V(当VOUT=12V时),以强制输出开关晶体管截止。
注9:
VIN=40V注10:
环境热阻(不外加散热片)是指TO-220封装的LM2596垂直焊接在覆盖有面积约为1平方英寸铜箔的PCB上所对应的值。
注11:
TO-263封装的LM2596垂直焊接在覆盖有面积约为0.5平方英寸铜箔的单面PCB上所对应的环境热阻。
注12:
TO-263封装的LM2596垂直焊接在覆盖有面积约为2.5平方英寸铜箔的单面PCB上所对应的环境热阻。
注13:
TO-263封装的LM2596垂直焊接在覆盖有面积约为3平方英寸铜箔的双面PCB上所对应的环境热阻,而PCB的另一面覆盖有面积约为16平方英寸铜箔。
注14:
LM2596T-3.3,LM2596T-5.0,LM2596T-12,LM2596T-ADJ为TO-220封装(DIP);LM2596S-3.3,LM2596S-5.0,LM2596S-12,LM2596S-ADJ为TO-263封装(SMT)。
LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004测试电路及其布线方案测试电路及其布线方案(固定输出)注:
反馈线要远离电感,电路中的粗线一定要短,最好用地线屏蔽。
纹波滤波电路CIN-470F/50VCOUT-220F/25VD1-5A/40VIN5825L1-68H,L38测试电路及其布线方案(测试电路及其布线方案(输出可调)注:
反馈线要远离电感,电路中的粗线一定要短,最好用地线屏蔽,调节输出电压的电阻R1、R2要靠近LM2596的4脚。
输出电压的计算可由下式给出:
,其中VREF=1.23V,为了确保输出稳定,R1选用标称阻值为1K,精度为1%的电阻。
CIN-470F/50VCOUT-220F/35VR1-1K,1%D1-5A/40VIN5825L1-68HCFF-参照有关的应用信息图1标准测试电路在开关调节器中,PCB版面布局图非常重要,开关电流与环线电感密切相关,由这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题。
要使这种感应最小、地线形成回路,图中所示的粗线部分在PCB板上要印制得宽一点,且要尽可能地短。
为了取得最好的效果,外接元器件要尽可能地靠近开关型集成电路,最好用地线屏蔽或单点接地。
最好使用磁屏蔽结构的电感器,如果所用电感是磁芯开放式的,那么,对它的位置必须格外小心。
如果电感通量和敏感的反馈线相交叉,则集成电路的地线及输出端的电容COUT的连线可能会引起一些问题。
在输出可调的方案中,必须特别注意反馈电阻及其相关导线的位置。
在物理上,一方面电阻要靠近IC,另一方面相关的连线要远离电感,如果所用电感是磁芯开放式的,那么,这一点就显得更加重要。
LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004TO-263封装(S)尺寸图单位:
英寸/毫米TO-220封装(T)尺寸图单位:
英寸/毫米LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004设计步骤及实例设计步骤及实例固定输出调节器的设计步骤固定输出调节器的设计步骤条件:
条件:
VOUT=3.3(或5、或12)V,VIN(max)为最大直流输入电压,ILOAD(max)为最大负载电流步骤:
步骤:
1.电感的选择(电感的选择(L1)A要根据图4、图5和图6所示的数据选择电感的适当值(分别对应输出电压为3.3V、5V和12V),对于所有的其他输出电压的情况,请看输出可调的调节器的设计步骤。
B在图4、图5和图6上,由最大输入电压线和最大负载电流线的交叉区域确定电感的值,每一个区域都对应一个电感值和一个电感代号(LXX)。
C从图8中所列的4个厂家所列的产品号中选择一个合适的电感,最好使用磁屏蔽结构的电感器。
最好使用磁屏蔽结构的电感器。
2.输出电容的选择(输出电容的选择(COUT)A.在大多数的应用中,低等效电阻(低等效电阻(LowESR)的电解电容)的电解电容值在82F到820F之间,而低等效电阻(低等效电阻(LowESR)钽电容)钽电容值在10F到470F之间效果最好。
电容应该靠近IC,同时,电容的管脚要短,连接的铜线也要短,电容值不要大于820F。
B.为了简化电容选择步骤,请参阅表2所示的电容快速选择,这个表包含了最好的设计方案所需的不同的输入电压、输出电压、负载电流、不同的电感和输出电容。
C.电解电容的耐压至少应是输出电压的1.5倍,为了得到纹波更低的输出电压,需要更高耐压值的电容器。
3.吸纳二极管的选择(吸纳二极管的选择(D1)A.吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍,如果设计的电源要承受连续的短路输出,则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于LM2596的极限输出电流。
对吸纳二极管来说,最坏的情况是过载或输出短路。
B.吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。
C.吸纳二极管必须是快恢复快恢复的且必须靠近LM2596,此二极管的管脚要短,连接的铜线也要短。
由于所需的二极管开关速度快、正向压降低,所以,肖特基二极管肖特基二极管是首选,同时,它的性能和效率都很好,特别是在低输出电压情况下更是如此。
使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好。
超快恢复二极管的典型恢复时间为50ns或更快,象IN5400系列的整流二极管速度很慢,通常不用。
4.输入电容的选择(输入电容的选择(CIN)为了防止在输入端出现大的瞬态电压,在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容,这个电容要靠近IC。
另外,输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。
要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。
几个不同的铝电解电容的典型均方根电流值所对应的曲线如图13所示。
对铝电解电铝电解电容,其耐压值要为最大输入电压的容,其耐压值要为最大输入电压的1.5倍倍。
必须注意的是,如果使用了钽电容,则它的耐压要为输入电压的如果使用了钽电容,则它的耐压要为输入电压的2倍倍,推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。
使用瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心,因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。
固定输出调节器设计实例固定输出调节器设计实例条件:
条件:
VOUT=5V,VIN(max)=12V,ILOAD(max)=3A步骤:
步骤:
1.电感的选择(电感的选择(L1)A.按图5所示的电感选择方法选择输出为5V时的电感。
B.由图5可见,电压为12V的水平线和电流为3A的垂直线的交叉区域所对应的电感值为33H,代号为L40。
LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004C.所需的电感值为33H,从表8中L40那行所列的4个厂家的电感序列号中选择一个电感(通常,表贴和直插的电感都有),最好使用磁屏蔽结构的电感器。
最好使用磁屏蔽结构的电感器。
2.输出电容的选择(输出电容的选择(COUT)A.从表2所示的快速设计器件选择中,先选择输出电压为5V的那几行,在负载电流列中,选择一条与你应用中所需电流最接近的一条电流线,在本例中,选择3A的电流线。
在最大输入电压列中,选择一条与你应用中所需输入电压最接近的一条电压线,在本例中,选择15V所对应的电压线。
在这条线上所列的就是使用效果最好的电感和电容。
B.输出电压为5V时,则电容的耐压至少应为7.5V或更高。
但是,即使在低等效电阻下和开关级,220F/10V的铝电解电容也会产生大约225的等效阻抗,这么大的等效电阻会在输出端产生相对高的输出纹波电压。
要把纹波电压降到输出电压的1%或更低,就需要选择一个耐压(低等效电阻的)更高或容值更高的电容。
一个16V或25V的电容几乎可以把纹波电压降到原来的一半。
3吸纳二极管的选择(吸纳二极管的选择(D1)参考图9。
在这个例子中,5A/20V的肖特基二极管IN5823可以产生很好的效果,而且,在输出短路的情况下,也不会过载。
4.输入电容的选择(输入电容的选择(CIN)输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。
如果输入电压是12V,那么,铝电解电容的耐压要大于18V(1.5VIN),下一个更高的电容耐压值为25V。
在调节器中输入电容的电流均方根大约是直流负载电流的一半,在本例中,负载电流为3A,那么,输入电容的电流均方根至少为1.5A,利用图13所示的曲线图可以选择合适的电容。
在曲线图中,35V的电压线所对应的电流均方根值大于1.50A的电容为680F,于是,我们就可以选出一个680F/35V的电容。
对于选择直插元件的设计,680F/35V的电解电容就足够了,其他种类或其他厂家的电容可以用来提供足够的均方根纹波电流。
对于选择表贴元件的设计,可以选用固态钽电容,但是,要注意的是,必须测试电容的浪涌电流值。
AVX公司的TPS系列及VISHAY公司的593D系列的器件的浪涌电流值都经过测试了。
输出电容条件电感直插式电解电容表贴式钽电容输出电压V负载电流A最大输入电压V电感值H电感号#PANASONICHFQ系列(F/V)NICHICONPL系列(F/V)AVXTPS系列(F/V)VISHAY595D系列(F/V)522L41470/25560/16330/6.3390/6.3722L41560/35560/35330/6.3390/6.31022L41680/35680/35330/6.3390/6.334033L40560/35470/35330/6.3390/6.3622L33470/25470/35330/6.3390/6.31033L32330/35330/35330/6.3390/6.33.324047L39330/35270/50330/10330/10822L41470/25560/16220/10330/101022L41560/25560/25220/10330/101533L40330/35330/35220/10330/1034047L39330/35270/35220/10330/10922L33470/25560/16220/10330/102068L38180/35180/35100/10270/10524068L38180/35180/35100/10270/10LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,20041522L41470/25470/25100/16180/161833L40330/25330/25100/16180/163068L44180/25180/25100/16120/2034068L44180/35180/35100/16120/201533L32330/25330/25100/16180/162068L38180/25180/25100/16120/2012240150L4282/2582/2568/2068/25图2LM2596固定输出快速设计器件选择表可调输出调节器的设计步骤可调输出调节器的设计步骤条件:
条件:
VOUT为可调节的输出电压,VIN(max)为最大直流输入电压,ILOAD(max)为最大负载电流,F=开关频率(为固定值150KHz)步骤:
步骤:
1输出电压值的计算输出电压值的计算(即选择图1中的R1和R2)利用以下的公式来选择适当的电阻值,这里的VREF=1.23V,在240和1.5K之间为R1选择一个适当的阻值。
低阻值使敏感的反馈脚的噪声容限降到最小(选用精度为1%金属膜电阻,可以使温度系数降低,随时间的稳定度最好)。
2.电感的选择(电感的选择(L1)A.可以通过以下的公式计算电感电压与微秒的乘积ET其中VSAT为内部开关饱和电压,且VSAT=1.16VVD为二极管正向压降,VD=0.5V。
B.用前面公式中所得的ET的值,从图7的纵坐标上找一个相匹配的电感序号。
在横坐标上选一个最大的负载电流。
C.由ET值和最大的负载电流值的交叉处确定一个电感区域,每个区域都由一个电感值和一个电感序号(LXX)表征。
D.从图8所列的4个生产厂家的元件号中选一个适当的电感,最好使用磁屏蔽结构的电感器。
最好使用磁屏蔽结构的电感器。
3.输出电容的选择(输出电容的选择(COUT)A.在大多数的使用中,使用82F820F之间的低等效电阻(低等效电阻(LowESR)的电解电容或固态钽电容)的电解电容或固态钽电容效果最好,电容要靠近IC,管脚要短,连接的铜线要短。
不要使用大于820F的电容。
B.为了简化电容选择步骤,请参阅表3所示的电容快速选择,这个表包含了最好的设计方案所需的不同的输出电压和输出电容。
LM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004C.电容的耐压至少应是输出电压的1.5倍,有时,为了得到纹波低的输出电压需要更高的电容耐压值。
4.前馈电容前馈电容(CFF,见图1)当输出电压大于10V时,就需要一个补偿电容,这个电容的典型值在100pF33nF之间,同时,与输出电压设置电阻R2并联。
对于高输出电压、低输入-输出电压时和/或低等效电阻的输出电容等情况,这个电容可以使电路格外稳定,如固态钽电容。
这个电容可以是瓷片电容、塑胶或云母电容等(因为Z5U/Y5V瓷片电容性能不稳定,所以建议不要使用这种电容)。
5.吸纳二极管的选择(吸纳二极管的选择(D1)A.吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍,如果设计的电源要承受连续的短路输出,则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于LM2596的极限输出电流。
对吸纳二极管来说,最坏的情况是过载或输出短路。
B.吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。
C.吸纳二极管必须是快恢复快恢复的且必须靠近LM2596,此二极管的管脚要短,连接的铜线也要短。
由于所需的二极管开关速度快、正向压降低,所以,肖特基二极管肖特基二极管是首选,同时,它的性能和效率都很好,特别是在低输出电压情况下更是如此。
使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好,但是,一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。
超快恢复二极管的典型恢复时间为50ns或更快,但IN5400系列的整流二极管速度很慢,通常不用。
6.输入电容的选择(输入电容的选择(CIN)为了防止在输入端出现大的瞬态电压,在输入端和地之间要加一个低等效电阻(低等效电阻(LowESR)的铝或钽电容)的铝或钽电容作为旁路电容,这个电容要靠近IC。
另外,输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。
要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。
几个不同的铝电解电容的典型均方根电流值所对应的曲线如图13所示。
对铝电解电容,其耐压值要为最大输入电压的1.5倍且要靠近IC。
必须注意的是,如果使用了钽电容,则推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。
使用电介质固定的瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心,因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。
可调输出调节器设计实例可调输出调节器设计实例条件:
条件:
VOUT=20V,VIN(max)=28V,ILOAD(max)=3A,F=开关频率(为固定值150KHz)步骤:
步骤:
1.输出电压值的计算输出电压值的计算(即选择图1中的R1和R2)选择精度为1%的1K的电阻R1,来计算R2,R2=1K(16.26-1)=15.26K,接近于精度为1%的15.4K,所以,取R2=15.4K。
2.电感的选择(电感的选择(L1)A.可以通过以下的公式计算电感电压与微秒的乘积ETLM2596开关电压调节器开关电压调节器SEPTEMBER,2004B.ET=34.2(Vs)C.ILOAD(max)=3AD.由图7,34(Vs)的水平线和3A的垂直线的交叉处所确定的电感为47H,电感代号为L39。
E.如图8所示的表格,在L39所在的行中,选择一个电感器件号,最好使用磁屏蔽结构的电感器。
最好使用磁屏蔽结构的电感器。
3.输出电容的选择(输出电容的选
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