基于LM2596的DC-DC电路分析

电路总体说明LM2596属于DC-DC开关电源的BUCK类电压反馈式的降压型电源管理集成电路，能够输出5V/3A的驱动电流，开关频率150KHz。在本电路（图1）中应用了其固定的工作模式，输入电压Vin=7~32V,输出电压Vout=5V。图1如图1所示，为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间加入一个低ESR的电容作为旁路电容。U1、D1、L1、C2构成基本的BUCK类电路。同时L1、C2也构成了一个低通滤波器，截止频率1*1121CLf=892Hz。该电路的纹波电压fCVoutaxripple*Im其中axmI为输出电流的最大值，outC为输出的等效电容，f为开关频率从上式可以看出在开关频率不可改变的情况下，加大输出电容可以减小输出的电压纹波或者采用并联的方式减小ESR值或者使用低ESR值的电容以减小输出纹波。一、在不接入后级低通滤波器时在不接入后级低通滤波器时，由其自身的电感和电容进行一次滤波，截止频率为892Hz。实验结构如下：1、不带负载时测量其输出纹波电压，示波器截图如图2，纹波电压在8mv左右。图22、在接入纯电阻负载时，测量其输出纹波电压，示波器截图如图3，纹波在70mv左右图33、在接入混合型负载时，测量其输出纹波电压，示波器截图如图4，纹波电压也在58mv左右图4二、加入后级低通滤波器时为了适应电源工作环境和负载的需要，需要将纹波电压降低。故要在输出端加入后级低通滤波器以进一步降低电压纹波至10mv以下。所加入的后级低通滤波器的截止频率)54(*4221CCLf=1079Hz单从滤波器的角度看：由L1、C1构成的前级低通滤波器和由L2、C4、C5构成的后级低通滤波器共同构成的二级滤波器的截止频率2/*23221*4)(32213132212322131CCLLCLCLCLfCCLLCLCLCL将各值代入可得该二级滤波器的截止频率为692Hz。可以看到加入一级低通滤波器之后，电路的输出截止频率降低。同时加入的电感和电容可以缓冲电压，从而进一步降低了输出纹波电压。1、不带负载时测量其输出纹波电压示波器截图如图5，电压纹波在2mv以内图52、带纯电阻负载时的示波器截图如图6，纹波电压也在3mv以内图63、带混合型负载时的示波器截图如图7，纹波电压控制在4mv以内图7从以上的实验中可以得到基于LM2596此种BUCK电路的设计在实践中完全能够满足需要。其它测试：短路：在5V输出口直接短路，lm2596会进入短路保护状态，电路断开后1秒左右恢复供电。过温，过载，情况类似满载：经测试，目前的电流满载功率为3.5W即可以输出5V/700mA。主要问题在与1N5822与电感功率太小。要支持更大电流则需要更换1N5822与大功率电感。四、电路的保护措施和扩展方案1、保护措施为防止输入的反接将电路的二极管击穿，可以在电路的输入端加入一二极管使反接时电路不会导通，但是在选择该二极管时要注意其耐压值应为输入电压的2-3倍，额定电流应保持1.5-2倍的裕量，导通压降要尽可能小。2、扩展方案为适应交流输入，可以在电路的输入端加入一个整流桥以将交流转换为直流，桥中二极管的耐压值为输入电压的2-3倍，额定电流应保持1.5-2倍的裕量，导通压降要尽可能小。扩展电路如图8，其中在接入整流桥的电路中不需要再接入防反接的二极管D2图8五、PCB布线和布局以及元件选择的考虑在开关调节器中，开关电流与环线电感密切相关，为防止漏磁对周围电路的影响首先尽量使用磁屏蔽结构的电感器，同时输入、输出电容的连线要尽可能短而粗，输入输出的正极、地线也同样如此。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，反馈线应印制在与电感相反的一面以避免电感的漏磁被反馈线吸收。输出电解电容的耐压值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。理想的二极管在承受方向电压时截止，不会有反向电流通过。而实际二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在漏感和其他分部参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡，因此所需的二极管要求开关速度快、正向压降低。