Регулятор напряжения LM2596: замены, характеристики, внутренняя архитектура и практическое использование

LM2596, широко используемый понижающий импульсный стабилизатор напряжения, представленный компанией Texas Instruments, хорошо зарекомендовал себя в области управления питанием. В этой статье будут рассмотрены его основные характеристики, принципы работы и практическое применение.

LM2596 Регулятор напряжения+спецификация

Обзор регулятора напряжения LM2596

Регуляторы напряжения серии LM2596.представляют собой монолитные интегральные схемы, обеспечивающие все активные функции понижающих (понижающих) импульсных стабилизаторов. Они могут управлять нагрузкой 3 А с отличными возможностями регулирования линии и нагрузки. Эта серия устройств включает версии с фиксированным выходным напряжением 3,3 В, 5 В и 12 В, а также версию с регулируемым выходным напряжением для удовлетворения различных требований приложений.
Он работает на частоте переключения 150 кГц, что позволяет использовать фильтрующие компоненты меньшего размера по сравнению с более низкочастотными импульсными стабилизаторами. Он использует стандартный 5-контактный корпус TO-220 (с различными вариантами изгиба выводов) и 5-контактный корпус TO-263 для поверхностного монтажа, что упрощает его использование. Для работы требуется всего несколько внешних компонентов, он содержит внутреннюю компенсацию частоты и генератор фиксированной частоты.

Распиновка регулятора напряжения LM2596

Технические характеристики регулятора напряжения LM2596

Каков принцип ШИМ-управления стабилизатора напряжения LM2596?

LM2596использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для регулирования выходного напряжения. Его внутренний генератор генерирует тактовый сигнал с фиксированной частотой 150 кГц. Усилитель ошибки сравнивает напряжение обратной связи (с выхода через делители напряжения) с опорным напряжением, создавая сигнал ошибки. Этот сигнал управляет компаратором ШИМ, который регулирует рабочий цикл внутреннего силового ключа (MOSFET/BJT).

Когда переключатель включен, входное напряжение подает энергию на катушку индуктивности и нагрузку; В выключенном состоянии индуктор разряжается через обратный диод, поддерживая ток. Изменяя пропорцию времени включения (скважность), регулируют среднее выходное напряжение. Более высокие рабочие циклы увеличивают выходное напряжение, а более низкие — уменьшают его, обеспечивая стабильный выходной сигнал несмотря на изменения входного напряжения или нагрузки.

Особенности регулятора напряжения LM2596

Варианты выходного напряжения:Версии с фиксированным выходным напряжением, обеспечивающие 3,3 В, 5 В и 12 В, а также регулируемая версия с диапазоном выходного напряжения от 1,2 В до 37 В.
Точность:Максимальная погрешность составляет ±4% для всей линии и условий нагрузки.
Грузоподъемность:Может обеспечить выходной ток нагрузки 3А.
Диапазон входного напряжения:До 40В.
Требования к внешним компонентам:Требуется всего четыре внешних компонента, что упрощает использование.
Частота переключения:Внутренний генератор имеет фиксированную частоту 150 кГц.
Функция выключения:Имеет возможность отключения TTL, а ток покоя IQ в режиме ожидания с низким энергопотреблением обычно составляет 80 мкА.
Эффективность:Высокая эффективность: разные версии имеют разную эффективность в конкретных условиях. Например, версия на 12 В имеет типичный КПД 90 % при входном напряжении 25 В и токе нагрузки 3 А.
Особенности защиты:Оснащен функциями термического отключения и ограничения тока для обеспечения безопасности устройства в условиях неисправности.

Применение регулятора напряжения LM2596

LM2596 — высокопроизводительный понижающий импульсный стабилизатор., широко используется в различных электронных системах благодаря своим преимуществам, таким как высокая эффективность, высокая нагрузочная способность и гибкие варианты выходного напряжения. Его типичные области применения включают в себя:

Промышленные системы управления: Обеспечивает стабильное питание для датчиков, исполнительных механизмов и цепей управления в промышленных условиях. Благодаря максимальному входному напряжению 40 В он может адаптироваться к нестабильным промышленным электросетям, обеспечивая надежную работу оборудования.

Автомобильная электроника: Подходит для автомобильных устройств, таких как автомобильная аудиосистема, навигационные системы и бортовые зарядные устройства. Его нагрузочная способность 3 А соответствует требованиям к питанию большинства автомобильных электронных компонентов, а функции теплового отключения и защиты от ограничения тока повышают безопасность во время эксплуатации автомобиля.

Телекоммуникационное оборудование: используется в маршрутизаторах, модемах и модулях связи для преобразования входного высокого напряжения (например, 12 В или 24 В) в низкое напряжение (3,3 В, 5 В и т. д.), необходимое для основных чипов, обеспечивая стабильную передачу сигнала.

Устройства с батарейным питанием: Версия с регулируемым выходным напряжением (от 1,2 В до 37 В) идеально подходит для устройств, работающих от аккумуляторов (например, свинцово-кислотных или литий-ионных аккумуляторов), позволяя гибко регулировать напряжение для продления срока службы аккумулятора.

Источники питания для встраиваемых систем: Обеспечивает стабильное питание для микроконтроллеров (например, серии STM32), FPGA и других встроенных компонентов. Низкий ток в режиме ожидания (обычно 80 мкА) помогает снизить энергопотребление в режимах пониженного энергопотребления.

Светодиодные системы освещения: Может управлять мощными светодиодными массивами, регулируя выходное напряжение в соответствии с рабочим напряжением светодиодов, с высокой эффективностью снижая выделение тепла и улучшая стабильность системы.

LM2596Стабилизатор напряжения

Версии с фиксированным регулятором напряжения. См. схему выше. Мы можем установить выходное напряжение, изменив микросхему:

• LM2596-3.3 для выхода 3,3 В.
• LM2596-5.0 для выхода 5 В.
• LM2596-12 для выхода 12 В.

У нас также должны быть другие соответствующие компоненты:

• C1 должен быть 330 мкФ (при использовании LM2596-3.3, LM2596-5.0) или 180 мкФ (при использовании LM2596-12).
• L1 = индуктивность катушки, значение 33 мкГн (для LM2596-3,3, LM2596-5,0) или 68 мкГн (для LM2596-12).

LM2596 Регулируемый регулятор выходного напряжения

Теперь мы видим, что большинство людей используют LM2596 в качестве регулируемого стабилизатора выходного напряжения.

Как показано на рисунке, регулируемый стабилизатор выходного напряжения LM2596 использует микросхему IC1 (LM2596) с фильтрующим входом C1. L1, D1, R1, R2, C2, C3 образуют цепь. Он принимает нерегулируемый вход постоянного тока, регулируется посредством обратной связи (R1/R2), выдает регулируемое напряжение для нагрузок 3 А, обеспечивая гибкое регулирование напряжения.

Альтернативы регулятору напряжения LM2596

LM2596 — популярный понижающий импульсный стабилизатор., но существует несколько альтернатив, которые предлагают аналогичную или улучшенную производительность для разных приложений. Вот некоторые распространенные альтернативы:
1.LM2576

Предшественник LM2596, предлагающий аналогичную функциональность с максимальным выходным током 3 А.

Работает на более низкой частоте переключения (52 кГц) по сравнению с LM2596 (150 кГц), что может потребовать более крупных внешних компонентов.

Доступны версии с фиксированным напряжением (3,3 В, 5 В, 12 В) и регулируемые версии.

2. МП2307

Компактный высокоэффективный понижающий преобразователь с максимальным выходным током 3А.

Имеет более высокую частоту переключения (до 1,2 МГц), что позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера.

Обеспечивает более высокую эффективность, чем LM2596, во многих условиях эксплуатации, что делает его пригодным для устройств с батарейным питанием.

3. XL4015

Сильноточный понижающий стабилизатор, способный выдавать выходной ток до 5 А, что делает его идеальным для приложений с большей мощностью.

Имеет регулируемый диапазон выходного напряжения от 1,25 В до 36 В.

Включает функции защиты от перегрузки по току и перегрева.

4. ЛМ1117

Линейный стабилизатор, в отличие от упомянутых выше импульсных стабилизаторов, делает его более простым, но менее эффективным при больших перепадах напряжения.

Доступны версии с фиксированным напряжением (1,8 В, 2,5 В, 3,3 В, 5 В) и регулируемые версии с максимальным выходным током 800 мА.

Производит меньше шума, чем импульсные стабилизаторы, что делает его пригодным для чувствительных аналоговых схем.

5.ТПС5430

Понижающий преобразователь на 3 А с широким диапазоном входного напряжения (от 5 В до 36 В) и регулируемым выходным напряжением (от 1,22 В до 28 В).

Отличается высоким КПД (до 95%) и частотой переключения 500кГц.

Включает встроенные функции защиты, такие как перегрузка по току, перенапряжение и отключение при перегреве.

Функции LM2596

Преобразование напряжения: Он может преобразовывать нерегулируемое более высокое входное напряжение постоянного тока в стабильное более низкое выходное напряжение постоянного тока. Он предлагает как версии с фиксированным выходным напряжением (например, 3,3 В, 5 В, 12 В), так и регулируемую версию, выходное напряжение которой можно установить в диапазоне от 1,2 В до 37 В.

Вождение: он способен выдерживать максимальный ток нагрузки 3 А, что делает его пригодным для питания различных электронных устройств с умеренными требованиями к току.

Оптимизация эффективности: Работая на фиксированной частоте переключения 150 кГц, он позволяет использовать фильтрующие компоненты меньшего размера по сравнению с низкочастотными стабилизаторами, обеспечивая при этом хорошую эффективность преобразования напряжения.

Функции защиты: Имеет функции теплового отключения и защиты по ограничению тока. Термическое отключение защищает устройство от повреждений из-за чрезмерной температуры, а ограничение тока предотвращает протекание чрезмерного тока через регулятор, защищая как сам регулятор, так и подключенную нагрузку.

Внешнее управление отключением: Имеет функцию внешнего отключения (ВКЛ/ВЫКЛ). Когда эта функция активирована, регулятор переходит в слаботочный режим ожидания, снижая энергопотребление.

Стабильный выход: Обеспечивает отличное регулирование линии и нагрузки, гарантируя, что выходное напряжение остается стабильным даже при изменениях входного напряжения или нагрузки.

Руководство по разводке печатной платы LM2596

Компоновка компонентов:

Входной конденсатор:Поместите его рядом с входным контактом LM2596. Электролитический конденсатор емкостью 470 мкФ часто используется для уменьшения колебаний входного напряжения.

Выходной контакт:Этот вывод выдает волну ШИМ частотой примерно 150 кГц во время нормальной работы, и сюда подключаются основные периферийные компоненты. При компоновке необходимо учитывать удобство подключения сопутствующих компонентов и целостность сигнала.

Заземляющий контакт:Контакт заземления должен быть коротким и толстым, чтобы обеспечить хорошее заземление, и его можно подключить к заземляющему слою через несколько переходных отверстий.

Контакт обратной связи:Вывод обратной связи подключен к резистору обратной связи и должен располагаться как можно ближе к микросхеме с короткими дорожками, чтобы уменьшить помехи и обеспечить точность выходного напряжения.

Контрольный контакт:Контакт управления заземлен или подключен к высокому уровню в зависимости от режима работы. При компоновке следует учитывать удобство подключения к источнику управляющего сигнала.

Общая планировка:Располагайте высокоскоростные устройства (например, сам LM2596) близко друг к другу, чтобы сократить длину высокоскоростных сигнальных линий. В то же время разделите аналоговые, цифровые и высокоскоростные сигналы на разные области, чтобы избежать взаимных помех. Силовые устройства должны быть распределены равномерно, а пространство для рассеивания тепла должно быть зарезервировано для облегчения потока воздуха для рассеивания тепла.

След Дизайн:

Старайтесь избегать параллельных трасс на большие расстояния, особенно для линий электропередачи и сигнальных линий, чтобы предотвратить перекрестные помехи.

Входные и выходные линии электропередачи должны быть достаточно толстыми, чтобы соответствовать требованиям передачи большого тока, уменьшать сопротивление линии и падение напряжения, при необходимости можно использовать медную заливку.

Обработка заземления:

Спроектируйте отдельное аналоговое и цифровое заземление и, наконец, соедините их в одной точке, чтобы избежать помех от контура заземления.

Можно использовать многослойные печатные платы со средним слоем в качестве заземляющего слоя для усиления эффекта заземления и уменьшения электромагнитных помех.

Другие аспекты:

Если позволяют условия, используйте многослойные печатные платы со средним слоем в качестве слоя земли или слоя питания для экранирования и уменьшения перекрестных помех.

Используйте библиотеки 3D-пакетов для визуализации компонентов на этапе проектирования, обеспечивая разумную компоновку, избегая проблем при установке и достигая компактной компоновки, соответствующей электрическим и механическим требованиям.

Модели серии LM2596

Пакет LM2596

Подводить итоги,стабилизатор напряжения LM2596занимает важное место в области электроники благодаря своим превосходным характеристикам, простоте управления и широкому спектру применения. Между тем, альтернативные продукты также предоставляют больше возможностей для проектов с различными требованиями.