Понижающий регулятор напряжения LM2576. Углубленный анализ: комплексное руководство от функций до применения

LM2576 — классический импульсный понижающий стабилизатор.представлен компанией Texas Instruments (TI). С момента своего запуска он занял важную позицию в области преобразования энергии постоянного тока. Благодаря своей отработанной технологии, стабильной производительности и широкой применимости он стал эталонным продуктом в сценариях понижения средней и малой мощности. Сценарии его применения охватывают множество областей, таких как промышленный контроль, автомобильная электроника, бытовая электроника и устройства с батарейным питанием. Благодаря этой статье инженеры и энтузиасты электроники смогут быстро и всесторонне освоить соответствующие знания о LM2576, предоставляя четкие и практические рекомендации по проектированию источников питания.

Обзор понижающего стабилизатора напряжения LM2576

LM2576 — классический понижающий стабилизатор напряжения на основе дросселя.запущен компанией Texas Instruments. Разработанный специально для сценариев средней и малой мощности, он имеет максимальный выходной ток 1 А и широко используется в промышленном управлении, автомобильной электронике и других областях. Он имеет диапазон входного напряжения 7–40 В (в некоторых моделях оно достигает 60 В) и предлагает как фиксированные выходные напряжения (например, 3,3 В/5 В), так и регулируемые выходные напряжения (1,23–37 В). Работая на частоте переключения 52 кГц, он достигает эффективности преобразования 75–88%, обеспечивая значительные преимущества в области энергоэффективности. Чип объединяет функции защиты от перегрузки по току и термического отключения для повышения надежности системы. Его периферийная схема проста, для работы требуются только катушка индуктивности, конденсатор и диод, что приводит к низкому расчетному порогу. Такие пакеты, как TO-220, облегчают отвод тепла и адаптируются к различным требованиям установки, что делает их оптимальным выбором, сочетающим в себе производительность и простоту использования.
Если для вашего проекта требуется модель из этой серии, свяжитесь с нами, чтобы получить последнее предложение.

LM2576+спецификация

Распиновка понижающего стабилизатора напряжения LM2576

На примере широко используемого корпуса TO-220 (модель LM2576T) функции его контактов показаны в таблице ниже:

Характеристики выводов и особенности конструкции

Вин пин-код: Входное напряжение должно находиться в указанном диапазоне (обычно 7–40 В); в противном случае это может привести к повреждению чипа или ненормальной работе. При проектировании на входном конце следует добавить соответствующий фильтрующий конденсатор, чтобы уменьшить пульсации и шум входного напряжения.

Вот контакт: Точность выходного напряжения зависит от нагрузки. При проектировании выходной цепи такие компоненты, как катушки индуктивности и конденсаторы, следует выбирать разумно, чтобы гарантировать, что стабильность и пульсации выходного напряжения соответствуют требованиям.

Контакт обратной связи: Этот контакт очень чувствителен к шуму. При подключении его длину следует минимизировать и избегать пересечения с проводкой силового тракта, чтобы шумовые помехи не влияли на стабильность выходного напряжения. Для моделей с регулируемым выходом внешние резисторы должны быть резисторами высокой точности (например, с допуском 1%), чтобы обеспечить точность выходного напряжения.

Контакт включения/выключения: Если удаленное управление состоянием переключателя микросхемы не требуется, этот вывод можно напрямую подключить к высокому уровню (для моделей с поддержкой высокого уровня) или оставить плавающим (в соответствии с требованиями конкретной модели).

Функциональная блок-схема LM2576

Внутренняя структурав основном LM2576состоит из следующих основных модулей:

Опорное напряжение: Обеспечивает стабильное опорное напряжение, служащее входным эталоном для усилителя ошибки.

Усилитель ошибок: сравнивает напряжение обратной связи с опорным напряжением, усиливает сигнал ошибки между ними и использует его для управления состоянием включения/выключения выключателя питания.

Осциллятор: Генерирует тактовый сигнал фиксированной частоты (52 кГц) для управления ритмом переключения всей схемы.

Выключатель питания: обычно MOSFET, который включается или выключается под контролем тактового сигнала и выходного сигнала усилителя ошибки, обеспечивая передачу и преобразование энергии.

• Схема защиты: Включает защиту от перегрузки по току и схемы отключения при перегреве для защиты чипа в нештатных условиях.

Его рабочий процесс выглядит следующим образом: после выборки входного напряжения получается напряжение обратной связи. Это напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением в усилителе ошибки для генерации сигнала ошибки. Сигнал ошибки объединяется с тактовым сигналом, генерируемым генератором, для управления включением/выключением выключателя питания. Когда выключатель питания включен, входное напряжение подает питание на индуктор и нагрузку через переключатель, а индуктор сохраняет энергию. Когда выключатель питания выключен, индуктор высвобождает накопленную энергию через безынерционный диод, продолжая подавать питание на нагрузку. Благодаря этому процессу регулирования с обратной связью выходное напряжение остается стабильным.

Особенности LM2576

Высокая эффективность:При частоте переключения 52 кГц эффективность преобразования может достигать 75–88% при различных условиях нагрузки. Более высокая эффективность означает более низкое энергопотребление самого чипа, тем самым снижая требования к рассеиванию тепла, что делает его пригодным для приложений с ограниченным пространством для рассеивания тепла.
Широкий диапазон ввода:Диапазон входного напряжения постоянного тока обычно составляет 7–40 В, а некоторые модели (например, LM2576HVT) могут поддерживать напряжение до 60 В. Это позволяет адаптироваться к различным сценариям энергопотребления, повышая универсальность чипа.
Гибкость вывода:Доступны несколько версий выходного напряжения, включая фиксированные выходы (3,3 В, 5 В, 12 В, 15 В) и регулируемые выходы (1,23–37 В). Модели с фиксированным выходом можно использовать напрямую без дополнительных настроек; Модели с регулируемым выходом позволяют гибко настраивать выходное напряжение через сеть внешних резисторов, удовлетворяя потребности различных устройств.
Механизмы защиты:Встроенная защита от перегрузки по току и функции отключения при перегреве. Когда выходной ток превышает указанный порог, активируется схема защиты от перегрузки по току, чтобы ограничить выходной ток, предотвращая повреждение микросхемы из-за перегрузки по току. Когда температура перехода чипа превышает заданную температуру (обычно 125 ℃), функция теплового отключения останавливает работу чипа и автоматически возобновляет работу после снижения температуры, защищая чип от перегрева.
Другие особенности:Он имеет низкие характеристики тока в режиме ожидания. Когда чип выключен или находится под небольшой нагрузкой, энергопотребление низкое, что помогает продлить срок службы батареи устройств с батарейным питанием. Кроме того, некоторые модели имеют возможность внешней синхронизации, позволяющую синхронизировать частоту переключения с внешним тактовым сигналом, уменьшая помехи между различными цепями.

Приложения LM2576

LM2576, популярный понижающий регулятор.r от Texas Instruments находит разнообразные применения в различных отраслях благодаря своей надежной работе и гибким функциям.

1. Производственный контроль

Мощность датчика и привода: В системах промышленной автоматизации многочисленные датчики, такие как датчики температуры, давления и положения, требуют стабильного источника питания низкого напряжения. LM2576 может преобразовать обычно используемую промышленную шину питания 24 В в стабильное напряжение 5 В или 3,3 В для этих датчиков. Аналогичным образом, небольшие приводы, такие как электромагнитные клапаны, могут получать питание от регулируемого выхода LM2576.

Питание микроконтроллера: В промышленных блоках управления часто используются микроконтроллеры для управления и координации различных операций. LM2576 обеспечивает стабильный источник питания, гарантируя работу микроконтроллера без сбоев, вызванных колебаниями напряжения.

2. Автомобильная электроника

Автомобильные информационно-развлекательные системы: такие устройства, как автомобильные радиоприемники, системы GPS-навигации и сенсорные дисплеи, нуждаются в стабильном источнике питания. LM2576 может преобразовывать напряжение автомобильного аккумулятора 12 В или 24 В в соответствующие уровни низкого напряжения (например, 5 В или 3,3 В) для питания этих компонентов. Он также может выдерживать электрические переходные процессы и скачки напряжения, возникающие во время запуска двигателя и других операций автомобиля.

Электроника приборной панели: Дисплеи комбинации приборов, включающие спидометры, указатели уровня топлива и контрольные лампы, зависят от стабильного питания.LM2576обеспечивает бесперебойную работу электроники этих дисплеев, предоставляя водителю точную и достоверную информацию.

3. Бытовая электроника

Маршрутизатор и сетевые устройства: Маршрутизаторам, коммутаторам и точкам беспроводного доступа требуется стабильное питание для поддержания сетевого подключения. LM2576 может преобразовывать входное напряжение адаптера питания (обычно 9–12 В) в напряжение 5 В или 3,3 В, необходимое для внутренних схем, включая микропроцессоры, микросхемы памяти и компоненты сетевого интерфейса.

Телеприставки: Эти устройства используются для приема и декодирования телевизионных сигналов. LM2576 обеспечивает необходимое питание для различных частей приставки, таких как тюнер, декодер и выходные схемы HDMI, обеспечивая плавное воспроизведение видео и звука.

4. Устройства с батарейным питанием

Портативные медицинские устройства: такие устройства, как глюкометры, портативные мониторы электрокардиограммы (ЭКГ) и портативные пульсоксиметры, часто работают от батарей. LM2576 может преобразовывать напряжение батареи (например, 7,4 В от литий-ионного аккумуляторного блока) в стабильное напряжение 5 В или 3,3 В, продлевая срок службы батареи благодаря своей относительно высокой эффективности и питая датчики устройства, микроконтроллеры и блоки отображения.

Беспроводные сенсорные узлы: В приложениях Интернета вещей (IoT) беспроводные сенсорные узлы, развернутые в различных средах, питаются от батарей. LM2576 может снизить напряжение батареи до уровня, подходящего для радиопередатчика узла, микроконтроллера и компонентов датчиков, что обеспечивает длительную работу без частой замены батареи.

Типичная схема применения версии с фиксированным выходным напряжением

Это типичная схема примененияLM2576версия с фиксированным выходным напряжением. Требуется нерегулируемый вход постоянного тока 7–40 В (60 В для высокого напряжения). Ключевые компоненты включают входной конденсатор CIN (100 мкФ), дроссель L1 (100 мкГн), обратный диод D1 (1N5822) и выходной конденсатор COUT (1000 мкФ), обеспечивающие стабилизированный выход +5 В для нагрузки 3 А.

Регулируемый источник питания 3 А с напряжением от 1,2 до 55 В и низким уровнем пульсаций на выходе

Это регулируемая схема источника питания 3 А с напряжением 1,2–55 В и использованием LM2576HV – ADJ. Для регулировки напряжения требуется нестабилизированный вход постоянного тока 55 В с такими компонентами, как CIN (100 мкФ), L1 (150 мкГн), D1 (1N5822), COUT (2000 мкФ) и R1/R2. Дополнительный фильтр пульсаций (индуктор 20 мкГн + конденсатор 100 мкФ) уменьшает пульсации выходного сигнала.

Инвертирующий понижающе-повышающий режим развивает −12 В.

Это инвертирующая понижающе-повышающая схема с использованием LM2576HV-ADJ. Требуется нестабилизированный вход постоянного тока от +12 до +45 В. Такие компоненты, как CIN (100 мкФ), L1 (68 мкГн), D1 (1N5822) и COUT (2200 мкФ), работают с чипом для создания регулируемого выходного напряжения 12 В при токе 0,7 А, что позволяет инвертировать и регулировать напряжение.

Как использоватьЛМ2576?

1. Анализ требований

Сначала определите диапазон входного напряжения, значение выходного напряжения и максимальный ток нагрузки. Например, если входное напряжение варьируется от 7 В до 40 В, а вам нужен стабильный выход 5 В с максимальным током нагрузки 1 А, выберите соответствующую модель LM2576. Модели с фиксированным выходом, такие как LM2576T-5.0, можно выбрать для простых приложений; для нужд регулируемой мощности лучше подходит регулируемая версия.

2. Выбор компонентов

• Индуктор: На основе входного и выходного напряжения и частоты переключения 52 кГц рассчитайте необходимое значение индуктивности. Обычно выбирают дроссель 33 мкГн, но убедитесь, что его ток насыщения превышает максимальный выходной ток и имеет низкое сопротивление постоянному току.

• Конденсаторы: выберите входные и выходные конденсаторы в соответствии с требованиями к пульсации. Входной конденсатор C1 часто сочетает в себе электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ и керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ для фильтрации входного шума. В выходном конденсаторе C2 используется электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ и керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ для уменьшения пульсаций выходного сигнала.

• Свободно вращающийся диод: Подберите подходящий диод типа 1N5822. Его обратное напряжение пробоя должно быть выше максимального входного напряжения, а номинал прямого тока должен соответствовать требованию выходного тока.

3. Схемотехника и разводка печатной платы.

Нарисуйте подробную принципиальную схему в соответствии с типичной схемой приложения. При разводке печатной платы отделите путь питания от пути сигнала. Путь питания должен быть коротким и толстым, чтобы уменьшить сопротивление и индуктивность. Для надежного заземления используйте одноточечное заземление или плоскость заземления. Для корпусов ТО-220 зарезервируйте достаточно места для радиаторов в приложениях с высокой мощностью.

4. Отладка и тестирование

После изготовления прототипа проверьте выходное напряжение, пульсации и эффективность. Если выходное напряжение нестабильно или пульсации слишком велики, проверьте соединения компонентов, номиналы компонентов и расположение печатной платы на предмет возможных помех или неправильного выбора и своевременно внесите изменения.

Устранение распространенных проблем

Чрезмерная пульсация выходного сигнала: Это может быть вызвано недостаточной емкостью выходного конденсатора, неподходящим типом конденсатора или неправильной проводкой. Попробуйте увеличить емкость выходного конденсатора, используя конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) или оптимизировав проводку, чтобы сократить длину путей питания и сигналов.
Нестабильное напряжение: Это может быть результатом помех в цепи обратной связи, неправильного выбора катушек индуктивности или конденсаторов или чрезмерных колебаний входного напряжения. Проверьте правильность подключения контакта обратной связи, замените подходящими катушками индуктивности и конденсаторами или добавьте схему фильтра на входном конце для стабилизации входного напряжения.
Низкая эффективность: Это может быть вызвано чрезмерным падением напряжения в прямом направлении на обратном диоде, чрезмерным сопротивлением катушки индуктивности по постоянному току или чрезмерным сопротивлением в открытом положении переключающего транзистора. Используйте диоды Шоттки с малым прямым падением напряжения, дроссели с низким сопротивлением постоянному току или проверьте, работает ли микросхема на нормальной частоте переключения.

Эквиваленты для LM2576

LM1117
Тип и режим регулирования напряжения: Линейный регулятор с низким падением напряжения (LDO). Он стабилизирует выходное напряжение, регулируя падение напряжения на внутренних транзисторах. По сравнению с импульсными стабилизаторами он имеет меньшие пульсации выходного напряжения.
Выходное напряжение: доступны в различных версиях с фиксированным выходным напряжением, например 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В и т. д. Существует также регулируемая версия, в которой можно устанавливать выходное напряжение через внешние резисторы, при этом диапазон выходного напряжения обычно составляет около 1,25 В–5 В.
Выходной ток: Типичный выходной ток составляет 800 мА, а некоторые расширенные версии могут достигать 1 А. Он подходит для схем, чувствительных к силовым шумам и с малым током нагрузки, таких как микроконтроллерные системы и аудиосхемы.
Характеристика падения напряжения: Падение напряжения низкое, обычно около 1,2 В при полной нагрузке. Его эффективность выше, чем у обычных линейных регуляторов, но ниже, чем у импульсных регуляторов.
CS51411
Тип и режим регулирования напряжения: он относится к импульсным регуляторам, обычно использующим ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) для регулировки выходного напряжения, что позволяет достичь высокой эффективности преобразования.
Выходное напряжение: регулируемый диапазон выходного напряжения широк, что позволяет удовлетворить различные требования к напряжению и адаптироваться к более сложным сценариям проектирования источников питания.
Выходной ток: он имеет высокий выходной ток и может обеспечить большую мощность управления нагрузкой, подходит для цепей с высокими требованиями к мощности.
Другие характеристики: Обычно интегрирован с несколькими функциями защиты, такими как защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения и защита от перегрева. Он также может иметь возможность быстрого реагирования на переходные процессы, чтобы справляться с быстрыми изменениями нагрузки.
ЛМ723
Тип и режим регулирования напряжения: Это линейный стабилизатор напряжения общего назначения, который можно использовать в качестве стабилизатора положительного или отрицательного напряжения посредством соответствующей конфигурации внешней цепи. Он стабилизирует выходное напряжение посредством усиления ошибки и управления с обратной связью.
Выходное напряжение: Диапазон регулировки выходного напряжения широк: от 2 В до 37 В, а выходное напряжение можно гибко устанавливать с помощью внешней резисторной сети.
Выходной ток: его собственная мощность выходного тока ограничена, обычно около десятков миллиампер, но он может увеличить выходной ток за счет подключения внешних силовых транзисторов для управления более крупными нагрузками.
Сценарии применения: Благодаря своей гибкости он часто используется в лабораторных источниках питания, промышленном контрольно-измерительном оборудовании и других случаях, когда предъявляются определенные требования к точности регулирования напряжения и нет особенно большого тока нагрузки.
LM7912
Тип и режим регулирования напряжения: Трехконтактный фиксированный регулятор отрицательного напряжения. Он может преобразовывать входное напряжение постоянного тока в стабильное выходное напряжение -12 В и поддерживать стабильное выходное напряжение за счет регулировки внутренних цепей.
Выходное напряжение: фиксированный выход -12 В, нерегулируемый.
Выходной ток: Максимальный выходной ток обычно составляет 1 А, что может удовлетворить некоторые схемы, которым требуется отрицательное питание и потребность в токе находится в этом диапазоне, например, отрицательное питание операционных усилителей.
Сценарии применения: часто используется в электронных устройствах, которым требуется стабильное питание -12 В, например в схемах усилителей мощности звука, для обеспечения отрицательного питания для соответствующих микросхем.

LM2576Информация о пакете

LM2576 доступен в нескольких основных типах корпусов:

Пакет ТО-220 (LM2576T): это широко используемый корпус со сквозными отверстиями с хорошими характеристиками рассеивания тепла, подходящий для охлаждения через радиатор. Расположение контактов четкое, что облегчает ручную пайку и установку.

Пакет ТО-263: Комплект для поверхностного монтажа, идеально подходящий для автоматизированного производства. Он занимает меньше места на печатной плате, но имеет несколько худшие характеристики рассеивания тепла по сравнению с корпусом TO-220.

Различные упаковки имеют разные параметры термического сопротивления. Тепловое сопротивление перехода к окружающей среде корпуса TO-220 обычно составляет около 60°C/Вт (без радиатора), и его можно значительно снизить, добавив радиатор. При разработке теплового решения следует выбрать соответствующий размер и тип радиатора с учетом потребляемой мощности чипа и рабочей температуры окружающей среды, чтобы температура перехода чипа оставалась в пределах указанного диапазона.

LM2576 Технический паспорт

LM2576 Лист данных.pdf

Заключение

В заключение,LM2576представляет собой вневременное и надежное решение в области понижающего регулирования напряжения, эффективности балансировки, универсальности и простоты конструкции. Широкий входной диапазон, гибкие возможности вывода и надежные механизмы защиты делают его незаменимым в самых разных приложениях — от промышленного управления до автомобильной и бытовой электроники.
Независимо от того, являетесь ли вы инженером, разрабатывающим компактный модуль питания, или энтузиастом, создающим прототип устройства с батарейным питанием, понимание его функций, принципов работы и нюансов конструкции позволяет полностью раскрыть его потенциал. Хотя новые регуляторы могут предлагать более высокие частоты или меньшие занимаемые площади, LM2576 остается лучшим выбором благодаря своей проверенной производительности и доступности.
Используя информацию, изложенную в этом руководстве — от выбора компонентов до компоновки печатной платы — вы можете использовать его возможности для создания стабильных и эффективных систем электропитания. По мере развития технологий наследие LM2576 сохраняется, что является свидетельством его непреходящей ценности в управлении питанием.