第十四届全国电源撞术年会论文集
降压型功率变换器LM2596
的原理及应用
蒋玉萍中国运载火箭技术研究院(100076)
摘要：本文介绍降压型功率变换器I．M2596的原理和应用。
叙词弋竖璺兰銮i姆开关电源
ADJ。LM2596控制芯片的工作频率为1501Cttz，其最大电流驱动I引言能力为3A，只需极少量的外围元件就可以实现辟压变换，大大LM7．596系列控制器是美国国家半导体公司推出的降压型开简化了小型开关电源的设计步骤，鳙短了开发周期。 关电源控制芯片，适用于简易高频降压变换器、扳上开关变换2特点和引脚说明器以及正负输出变换器。该芯片具有四种不同的型号，输出电 LM2596采用5脚TO一220(r)和5脚TO一263(s)封装，压分别为3．3v、5．OV、12V和可调输出四种，对应型号分别
为：U心孵6T一3．3、删9耵一．5．0、u伫596T—12和U嘶T—如图I所示。
引坤50N，0FF
引囊4Feed ma ck
引朋3舒锄-d
引箨201ln P at
}胂l n_
图l LM2596引脚封装
2．1特点电压信号影响周围的敏感电路，线路板爱锕区需直接与该脚相LM2596系列控制芯片具有以下特点：连。 (1)具有四种不同的输出电压可供选择：3．3V、5．0V、(3)Gnxa,cl(引脚3)：信号地。
12V、可调：(4)Feedback(引脚4)：输出电压拉测端，构成反馈回路。
(2)可词输出电压范围为1．2v一37V±4％；(5)ON／OFF(引脚5)：通过该脚可以控制芯片的工作
状(3)最大输出负载驱动电流3A；态。当滚脚上的电压低于1．3V时，菩片进入工作状态；当该
(4)输入电压最高可达40V；
脚上的电压高于1．3v时(最高可达到25V)，芯片进人睡眠
状
(5)只需4个外国元件即可实现降压变换；
态。芯片进^睡眠状态后，所需供电电流仅为80,t工A。如果该
引
(6)内置150Ⅺb定频振荡器；
脚接地或悬空，则睡眠状态被屏蔽，芯片将始终处于工作状
态。
(7)具有1Ⅲ．关断能力；
(8)具有低功率睡眠工作模式，f。只有踯肚；3电气特性、极限参数和工作条件
(9)具有过热关斯和限漉保护功能。
u蝴的电气特性列于表1。
2．2引脚说明
嘶96的极限参数如表2所示。
(1)‰(引脚1)：正向偏置电源输入端。为了抑制电压ut蛳的工作温度范围在一40℃至+125cc之间，偏置电
越动并向芯片提供驱动电流，茨引脚需外接旁路皂容。压范围在4．5V至40V之间。
(2)㈣(弓l脚2)：输出端。辘出电压范围在(‰一4工作原理
y蝴)和一0．5V之问，占空比韵为‰。，‰。为避免该脚输出
L^嘣的内部功能框图如图2所示。图3所示为u蟛96一
·533·
降压型功率变换器脚96的原理及应用
裹1
n 嘶电气特性
符号
参数
工作条件
型号
唧
Min M 旺
J
4竹V 《‰≤40V
【J 岱96—3 3
3．3V 3 168V
3．342V
0 2^《h 《3^
‰．
输出
7V≤‰。<40V
U 啦596—5．0
5 0V
4．8V 5 2V
电压
0 2A 《，ln^0≤3A
5
15V 《yⅢ《40V
嘶96一12
12 OV Il 52V 12．48V
0，2A≤』【o^D≤3A
反馈
4．5V 《‰≤40V
y 口
Im 跏一^DJ
1．23V
1 193V
1．a 酊V
电压
0，2^《，Ln ^D 《3^
U 啦，96—3．3
73％
rw=12V
lboAa=3A
U 啦蜥一5 0
∞％
1
艘率
U 崆596一12
90％
Vtn=12V
ILOAD=3V
1A12596一枷
73％
‰=3V
反馈偏置 ^
y 甩=1 3V U 腔596一ADJ
10hA
50hA
电流
振苗
^
搬事 1∞IOk 1”Ⅺ妇
173K№
饱和
VSAT
电压
‘3A
1．16V
1．4V
1．5V
最太占空
lo 。％
比“H)
DC
最小占空 0
比(0FF)
Ice
限流 峰值电流
4 5A 3．63_ 6．9A 输出
输出0V
5 OVa
IL
请电流
输出一1v
2皿^ tomb ．
』0
静态电流
5r,ek
IOmA
J 蜘w
ONf0矸。5v(OFF)
SO,,A
卸M
睡眠模式
静态电流 。Jc
热阻 2℃／W
‰
热阻
∞℃，W
‰
丽，OⅡ引
低电平(芯片工作) 0．6V
脚逻辑输^ I ．3V
h
闻值电压
高电平(芯片关断)
2．O
OH ，0FF
PlⅫ=2 5V
h
引睁逻辑 5【【A
15出
(芯片关断)
输^电流
0MOFF
Vtcc ．1C=O ．5V
h
引脚逻拇
(芯片工作，
0“m
5‘LA
输^电流
裹2 utz 孵6极睡’啦裹
5．0舆型应用的电路原理图。
参数
最高颤定值
从圈3可知，LMZ596—5．0仅需4个外围元件就可以实现 工作电压
45V
5v 输出的降压变换，最大负载电流可以达到3A 。
ON ／OFF 引脚辅^电压
一0 3V≤V《+25V
5应用指南
反馈引脚电压 一0．3V 《V 《+笛V
输出电压对地(连续状态)
一lV
5．1外围元件的选取
功耗
芯片自身限定 5．1．1
CⅢ的选取
存贮温度范田 一65℃至+I∞℃
c 。为输入旁路电容，该电容应采用低ESR 的铝电解电窖 西D 敏感性
2kv 蒸汽(60s) +215℃ 或钽电容．而且连线应尽可能的短。‰的作用主要有两个，
S 封装
日f 线温度 红外鳢(10sJf
+245℃
一是抑制输A 电压瞬变，二是在开关开通时提供所需的电流。
T 封装
焊接f1∞)
+260"C
由于降压型变换器输^电容中的RMS 电流较大，因此在选
结温+150℃
534·
第十四届全国电源技术年会论文集
图2 kM2596原理框图
输入旁路电容c 。的RMS 额定电流值至少应为Dc 负载电
2忠Ⅲ
流的二分之一，其额定电压至少应为输入电压最大值的1．5倍。 “H
布局时c 。应安排在LM2596旁边，引线越短越好。注意，不宜
使用瓷片电容代替铝电解电容或钽电容，否则会在‰引脚上
黧10v 嚣*t r 篡o l t 勃t o )．t 0M l s
引起严重的振荡。
圈3 I 朋2596的典型应用
取c 。。时，需要优先满足额定RMS 电流这个参数。电容的额定
珊硼 of
瞄2 n
ic
，
．
c 日∞i
．℃，，
0105
FaMS 电流可以看作是电容的额定功率。当RMs 电流流经电容 帅 ，
时，由于电容EsR 的作用，会造成电容内部温度的升高。电容 帅 ／ 的额定RMs 电流值也就是使电容在105℃的环境温度下，内部
姗
／
温度上升lOCC 时所需的电流值。因此．电容的散热能力也就奂 唧
， ， ／ 定了电
容对电流的承受能力。通常体积较大的电容，由于散热
姗
／。， F ／ ／
一，
能力相对较强，因此其电流承受瞻力也相对较强，其额定EMS
啪
，l
∥ r ／ 电流值也较大。而对于容量相同的电容．耐压水平高的，体积 咐
乃 ／ ／ 也较大。困此其额定EMS 电流值也较大。对于电解电容而言， 椭 形 衫 ，，
长期工作在高于额定RMS 电流的条件下．其使用寿命将大大缩 啪
萨。，
短。如果最高环境温度为加℃，选取电容的通常原则是选取额
1(I
IO
30柚
两 ∞
"
定纹渡电流接近其DC 负载电流50％的电容。如果最高环境沮
an c n q
wmn¨K(T)
度达到70℃，保守的设计则应选取额定纹渡电藏达到其DC 负
图4电解电容的容量与额定电压和额定电藏关系
载电流75％的电容为宜。电容的额定电压至少应为最高翰^电 5．1．2
C"的选取
压的I ．25倍。通常为了满足RMs 电流的要求，电容的额定电 压值往往取得更高一些。电解电容的窖量与额定电压和额定电
输出电容c 哪除了起到输出滤波的作用以外．还可以起
到
流的关系曲线如图4所示。
提高稳压环路稳定性的作用。因此，c 时必须选取低阻抗、低
普通电解电容的EsR 值一般都较高因此其额定EMs 值通常
ESR 的铝电解电容或钽电容，其中跚l 是最重要的参数。为了
都比较低，寿命也比较短。由于表面贴装式钽电容体积小、性 最大限度的降低输出纹波电压．输出电窖的碍R 值应当尽可能 脆高。因此通常被用作输入旁路电容。但是，当启动电流超过 的小。但是，输出电容的EsR 也不是越低越好，该值的选取是 额定值时，钽电容存在短路臆息。通常这种情况
都出现在上电 有一定范围的。这是因为输出电容的EsR 是由最大输出纹波电 瞬间。而且输^电压越高，启动电流也就越大。为了避免这一 压央定的，通常为最大输出纹渡电压的1％至2％。如果输出电 隐患的发生，一般要在钽电容前面增加电阻或电感以抑制启动 容的E 龋选得过低．将有可能造成反馈环路的不稳定，甚至引 电流的过分增长。而对于铝电解电容而言．其额定哪纹波电
发输出电压振荡。铝电解电容E 蛆值与额定电压的关系曲线如
流必须满足负载电流的要求。
图5所示。
·535·
一————————一、
降压型功率变换器I心的蒙理及应用
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(B)岫96—3．3
图5电解电容硅矾值与额定电压的关系曲线
如果环境温鹰低于一25℃，就不宜选用电解电容了。因为
在低温环境下，电解电容的EsR值将髓着温度的降低丽息剧
升高。此时，应当选用钽电容。
电解电容的取值范围应在啦F一8加凹之问；钽电容的
取值范围应在1qF一4鼬F之间。布局时，应将输出电容
放置在L．～12596耐近，其引线应尽可能的短。注意，电容量的
取值不要超过8∞汪。
5．1．3 D1的选取3目_吕暑l
二极管Dl的作用是在开关昔关断过程中为电感电流提供
续流通道。因此DJ必须选用开关速度较快、正向压降较低的
肖特基=极管。布局时，Dl应安排在uB蛳旁边．引线越短n0o．B l_o1．6 2 2．53
■最唧啪c田【髓丌∞
越好。最好选用具有超快软恢复特性的二槛管．以降低开关过
程中的删并提高电路的稳定性。通常小功率超快软恢复二极
(b)U匝1596—5．0
管的反向恢复时问大都不超过，0慨。由于普通整流二撮首的开关速度较慢，不宜选
用。
5．1．4 Ll的选取
电感n应选用具有蝌合磁通回路的磁环或E型铁氧体
磁芯。选择磁蒋时应避免使谐芯进^饱和状志，否胄!f将造成
开关电流息尉升高，从而对电路产生危害。设计时可参照辕出
电感选择图表进行选择，如图6所示。
5．2工作模式的选择
g∞霉■g-E口量蓄
开关变按器通常有两种基车的工作模式：连续型和非连竣型。两
种工作模式的区别主要在于变换器中电感电流的工作方式。在负载电流较低的场台。变换器通常工作在非莲续工作攥
式。
饥e o．B1．o 1．52毫63在大多数情况下，最好选择连续工作模式。因为，连续工q姗■啪口Im帅
作模式可以提供更太的输出功率，而且峰值开关电流、电癌电藏、续流二极瞥电流以及输出纹渡电压都较
(c)u崆596—
低。在连续工作模
12
圈6固定输出电感选捧图表
式下．电感电漉波形主要取央于输^电压波形。电感电流的平
式。此时，变换器中电感的体积较小．大约只是采用莲续工作均值等于Dc辅出负载电流值。但是连续工作模式的最大不足
模式时的电感体积的三分之一。虽鼎峰值开关电藏和电感电藏是为了维持变换器中电感电疽的连续性，电感量需要取得较
都较大，但是由于负载电魂较小，多在l^以下，因此最大开大，尤其是在输出负载电流较小或输入电压较高的场合下。因
关电流仍旧瞻够保持在所允许范围内。非连续工作模式下的电此当输出电流较小或糖^电压较高时，宜选用非连续工作模
·536·
第十四届全国电源技术年会论文集压波形与连续工作模式下的电压波形是不同
的。在非连续工作滤波器。滤波器中电感的取值范围通常在1vH一5出之间，
为
模式下，12．,tZ596的输出电压波形上台出现正弦衰减振荡，这属了获得良好的滤波特性，其Dc阻抗要尽可能的低。于正常现象。由于开关管或二极管在导通过程中，电感电流衰图7所示为纹渡滤波器加^前后在示渡器上观察到的输出减至零，在此期间会有一小部分能量在电感与开关管或二极管纹波电压波形圈。注意，在测量输出纹渡电压波形时，必矮使寄生电容之间流动，因而产生衰减振荡。通常这种衰减振荡不用专用的探针接头。测量时最好将该接头与输出电容焊在一会对电路造成影响。为了抑制这种现象，可以在电感上并联一起，最大限度的降低干扰，获取清晰、准确的波形。个Rc网珞。电压尖峰主要是由开关管、二极管以及输出滤波电容中的5．3输出电压纹波和瞬态响应特性寄生电感引发的。为了抑制电压尖峰的产生，输出电容的引线如果变换器工作在连续型工作模式下。其输出电压波形中越短越好。另外，绕组中的奇生电感、杂散电容、示波器的探将包含与开关频率相同的锯齿型纹波电压，而且在纹波电压峰头都会引发电压尖峰。值上可能还包古有尖峰电压。输出纹波电压是电感锯齿纹波电变换器工作在连续型工作摸式时，电感电流波形主要取决流和输出电容ESR的函数。一般，所允许的输出纹波电压范围于输出电压波形，可能是方渡，也可能是锯齿波。如果输^、为输出
电压的0．5％一3％。为了进～步降低输出纹波电压，输输出电压给定，电感电流的峰一峰值将保持恒定。随着负载电出电容的ESR应尽可能的小。但是正如所前面提到的．输出电流的上升或下降，电感电流波形也随之变化，但其平均值与容FAR并不是越低越好．还要考虑电路的稳定性问题。如果需Dc负载电流是相同的。如果负载电流过低，电感电流会降至要输出纹波电压低于20mV，可以在电路中增加一个后置纹波零，此时变换器将转^非连续型工佧模式。实际应用当中，大
图7输出纹波电压波形对比图
圈8电压感绒波电流峰一峰值与负载电蠢的关系
多数变换器在轻载情况下，都会转人非连续型工作模式。在设响整个电路的散热效果。因此，在进行热设计的时候，需要综计过程中，如果电感纹波电流峰一峰值△哪是已知的，那么峰合考虑各种因素，才舶实现比较理想的散热效果。图9所示为值电感电流、峰值开关电流、最小负载电流、输出纹波电压、LM2596结温变化与输人电压关系曲线图。
辅出电容ESR等参数都可以通过△咖计算出来。圈8所示为电5．5延时启动电路
感纹波电流峰一峰值与负载电流的关系图。由于降压变换器在较高工作电压下所需的电流相对较小．5．4散热设计因此在电路中增加了一个延时启动电路(如图10所示)，以保
LM2596提供了两种封装形式，参见图1。其中采用TO一证上电电压在达到一定电平之后变换器才开始工作。从图9中220封装形式的芯片必须使用散热器。散热器的大小由辅^电可以看出。该电路利用LM2596的ON／OFF引脚实现延时启动功压、输出电压、负载电流以及环境温度共同决定。采用TO一能。随着输A电压的上升，c1上的电压也不斯升高，O／’『／OFF 263封装形式的芯片可以直接焊在FCB板上，而无需使用额外引脚的电位保持为“高电平”．I．M2596处于“one’状态。当输的散热装置。为了获得更好的散热效果，可以在允许范围内加人电匪继续升高至一定电平时，cl充电结束并开始通过电阻宽布线线径和覆铜面积。R2进行放电，当ON／OFF引脚由“高电平”状态转为。低电LM2596的热阻和结温受很多因素的影响，这些因素包括：平”状态时，LM2596开始工作。R1的作用是限制ON／OFF引脚pcB顿的面积、形状、厚度、垃置、温度；布线宽度；覆铜总上的电压不超过所允许的水平。从表2可以知道，ON／OFF引脚面积；覆铜厚度；覆铜方式(单面、双面、多层覆铜)；PCB上缩能承受的最高电压为25V。另外，Rl还可以起到限制cl放焊点的数量等。另外，I：'CB上元件的布局、散热方式也会影响电电流的作用。如果输入电压的纹波较高，延迟启
动时间不宣散热效果。二投臂、电感等元件由于元件本身的特点，也会影设得过长以免造成故障。
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