【DC-DC開關電源芯片的使用(LM2596)】

一.原理圖

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此電路由一個DC-DC開關穩壓芯片(LM2596)和一個線性穩壓芯片(AMS1117)組成,可以將7-40V的輸入電壓轉換5V和3.3V的電壓輸出此處只對前半部分開關穩壓芯片做介紹,線性穩壓芯片另一篇文章介紹。

二.開關穩壓芯片原理講解

1.BUCK降壓電路

此DC-DC芯片降壓穩壓主要是基於BUCK電路。網上對BUCK電路介紹很多,此處只大致講解。

BUCK基本電路形式:
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三極管導通時:
電源經過三極管給電容C充電,給負載RL供電,同時電感L開始儲能。
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三極管關斷時:
通過二極管構成迴路,電容C和電感L爲負載RL供電,但是電流在緩慢減小。
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由上圖可見,通過對三極管基極施加高低電平(PWM)可以控制三極管的導通與關斷,從而達到降壓的目的。

結論:Vo=Vi*D(Vo是輸出電壓,Vi是輸入電壓,D是三極管基極PWM的佔空比)
因爲D在0~1之間,因此輸出電壓一定小於輸入電壓。(具體推導過程可自行查找)

2.LM2596內部原理講解

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此芯片即是上面buck電路中三極管的部分,後面電容電感等需要外接。

開關及基準電壓:ON/OFF引腳爲低電平時開啓此芯片,同時產生一個1.235V的參考電壓,用於與反饋電壓比較,實現穩壓。

限流保護:當經過芯片的電流大於4.5A時,芯片自動關閉。

過熱保護:當芯片溫度過高時自動關閉。

三極管輸出:可簡單理解爲BUCK電路中的開關三極管。

輸出反饋:FEEDBACK腳接在電路的輸出端,通過輸出端的反饋電壓與基準電壓1.235V進行比較,從而檢測輸出電壓是否偏離所需電壓,進而對芯片進行相應的穩壓控制。其中R1值固定2.5KΩ,R2值由芯片型號決定(不同輸出電壓,R2不同,對於電壓可調的型號,需外接R1和R2)。例如圖中所示,5V輸出的芯片R2=7.6KΩ。因爲Vref=Vo*R1/(R1+R2)。1.235≈5*2.5/(2.5+7.6)

假設(以5V輸出爲例):當Vo由於Vi的波動大於5V時,反饋檢測電阻R1上的電壓將大於1.235V,此電壓Vr1與基準電壓Vref通過誤差放大器,將Vref-Vr1(爲負數)的值放大(這樣,即使微小的誤差也會被檢測到)。然後送入比較器與一鋸齒波比較,比較器即對應輸出高低電平控制後級的latch(如下圖所示,佔空比增大)。比較輸出爲1時latch輸出低電平,比較輸出爲0時latch輸出高電平,相當於對比較器輸出取反(實際latch類似於一個SR觸發器,比較器輸出接到R輸入,此不做詳解)。那麼三極管基極接收到的PWM佔空比減小,由BUCK電路的結論可知,佔空比減小,輸出電壓減小,從而使輸出處於動態平衡,穩定在5V。
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3.常用接法及元件選取

數據手冊接法
最上面的原理圖即按此接法略加修改,此爲固定的5V電壓輸出
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二極管D:爲了在三極管關斷時,可以立刻使此二極管導通形成迴路,需要選擇反向恢復時間短的二極管,例如SS34(肖特基二極管)或ES2D(超快恢復二極管)。

電感L: 在要求不高的情況下,選擇33uH的功率電感即可。

輸入輸出端電容C: 均由一個220uF的電解電容和一個100nF的陶瓷電容構成(最上面的原理圖)。可濾除高頻率和低頻率的雜波,同時輸出端還作爲BUCK電路中的儲能電容。
大小電容濾波的原理可看此篇博文電容濾波

4.補充:輸出可調電路

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此爲數據手冊中給出的輸出可調型號芯片的連接電路。相當於把輸出固定型號芯片的檢測電阻R1,R2從芯片中提出,可根據需要自行配置。同時,如果把R2換成可調電阻,即可通過改變其阻值實現輸出電壓的調節。同樣滿足Vref=Vo*R1/(R1+R2)

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