Güç Kaynakları ve Regülatörler

LM2596 Adım Düşürücü Buck Dönüştürücü (5V / 3A)

Minimum harici bileşenle 7V–40V DC kaynaktan 3A'e kadar sürekli yükte 5V regüle çıkış sağlayan 150 kHz yüksek verimli adım düşürücü anahtarlamalı regülatör.

Regüle çıkış gerilimi
5.0V DC (±%4 toplam tolerans: 4.80V - 5.20V)
Bileşenler
7
Formüller
4
Tuzaklar
4
Web CAD'de Aç
Doğrulanmış Kaynak

Şema çalışma alanı

LM2596 Step-Down Buck Converter (5V / 3A)Exported from CircuitBase+12V DC+C1680µF / 50VVIN1ON/OFF5OUTPUT2FEEDBACK4GND3U1LM2596-5.0D11N5822L133µH+C2220µF / 25V+5V DCGNDGNDGNDGNDGND

Devreye genel bakış

Regüle çıkış gerilimi
5.0V DC (±%4 toplam tolerans: 4.80V - 5.20V)
Bileşenler
7
Formüller
4
Tuzaklar
4

Elektriksel değerlerini ve bağlantılarını görmek için yukarıdaki şemadan herhangi bir bileşene tıklayın.

Devreye genel bakış

LM2596 adım düşürücü anahtarlamalı regülatör, bir buck (adım düşürücü) dönüştürücü için tüm aktif fonksiyonları sağlayan monolitik bir entegre devredir. 150 kHz sabit anahtarlama frekansında çalışan devre, döngü bazlı akım sınırlaması ve termal kapanma korumasına sahip dahili 3A NPN bipolar anahtarlama transistörü kullanır. Sabit 5.0V çıkışlı model yalnızca dört harici bileşen gerektirir: giriş elektrolitik dekuplaj kapasitörü, hızlı Schottky diyot, enerji depolama bobini ve çıkış filtre kapasitörü. 150 kHz çalışma frekansı, LM2576 gibi 52 kHz düşük frekanslı regülatörlere kıyasla önemli ölçüde daha küçük filtre bileşenleri kullanımına olanak tanır. Dahili kontrol döngüsü, Pin 4 (FEEDBACK) ucundan gelen çıkış voltajını 1.23V dahili bant aralığı referansıyla karşılaştırarak görev döngüsünü ayarlar ve 7V ile 40V DC arasındaki giriş değişimlerinde kararlı regülasyon sağlar.

Temel Teknik Özellikler

Regüle çıkış gerilimi5.0V DC (±%4 toplam tolerans: 4.80V - 5.20V)
Giriş voltajı çalışma aralığı7.0V - 40.0V DC (12.0V nominal test noktası)
Maksimum sürekli çıkış akımı3.0A DC (yeterli soğutucu gereklidir)
Osilatör anahtarlama frekansı150 kHz tipik (135 kHz min., 165 kHz maks.)
Tipik güç dönüşüm verimiVIN=12V, IOUT=3A, VOUT=5V için %80
Bekleme modu sükunet akımı80 µA tipik (ON/OFF pini yüksek seviyede > 2.0V)
Çalışma sükunet akımı5 mA tipik (VIN=12V, geri besleme topraklanmış)
Anahtar akım sınırı eşiği4.5A tipik (3.6A min., 6.9A maks.)
Dahili anahtar doyma voltajıISW=3.0A için 1.16V tipik (TJ=25°C)
Çıkış voltajı dalgalanmasıÖnerilen düşük ESR kapasitörlerle < 50 mV tepeden tepeye

Çalışma Prensibi ve Teorik Analiz

01

Giriş dekuplajı ve yük akımı beslemesi

Her anahtarlama döngüsünde, U1 içindeki üst kol NPN bipolar anahtar 150 kHz'de açılıp kapanarak doğrudan DC giriş hattından yüksek genlikli yamuk akım darbeleri çeker. C1 giriş kapasitörü (680 µF / 50V düşük ESR'li elektrolitik), bu yüksek frekanslı RMS dalgalanma akımlarını yerel olarak sağlayarak anahtarlama gürültüsünün ana güç kaynağına yayılmasını önler. Giriş voltajı, dahili anahtar doyma düşüşü (VSAT ≈ 1.16V) hesaba katılarak regülasyonun korunması için 7.0V üzerinde kalmalıdır.

02

Anahtar iletimi ve bobin manyetizasyonu

Dahili osilatör periyodu başlattığında, PWM karşılaştırıcı dahili 3A NPN anahtarı Pin 1 (VIN) ile Pin 2 (OUTPUT) arasında doyuma sokar. Anahtarlama düğüm voltajı VIN - VSAT seviyesine yükselerek D1 Schottky diyotunu ters kutuplar. Akım Pin 1'den L1 bobinine (33 µH) doğru akar ve Faraday indüksiyon yasasına göre doğrusal olarak artar:

FORMULA & CALCULATION
(diL) / (dt) = (VIN - VSAT - VOUT) / (L)

Bu akım yüke anlık enerji aktarırken L1 bobininin toroidal çekirdeğinde manyetik enerji depolar.

03

Anahtar kesimi ve Schottky diyot üzerinden serbest dolaşım

PWM karşılaştırıcı iletim aralığını sonlandırdığında, NPN anahtar kesime gider. Bobin akımı aniden sıfırlanamayacağından çöken manyetik alan Pin 2 (OUTPUT) voltajını toprak potansiyelinin altına çeker. Pin 2 yaklaşık -0.45V değerine ulaştığında D1 Schottky diyotu ileri yönde iletime geçerek bobin akımını tamamlar. D1, L1, C2 ve yük üzerinden dolaşan akım kesim süresince enerjiyi kesintisiz iletir. Standart silikon diyotlar yavaş toparlanma süresine sahip olduğundan Schottky diyot kullanımı kesinlikle zorunludur.

04

Çıkış filtreleme ve dalgalanma bastırma

L1 bobininden geçen üçgen dalgalanma akımı, C2 çıkış kapasitörü (220 µF / 25V) ile DC yük arasında bölünür. C2 akımın AC bileşenini emerek çıkış voltajını düzeltir ve tepeden tepeye 50 mV'nin altında dalgalanmaya sahip kararlı +5.0V DC hattı sunar. Bu dalgalanmanın genliği kapasitans değerinden ziyade C2'nin Eşdeğer Seri Direncine (ESR) bağlıdır:

FORMULA & CALCULATION
ΔVOUT ≈ ΔIL × ESR
05

Kapalı döngü voltaj algılama ve PWM regülasyonu

Pin 4 (FEEDBACK), L1 bobininden sonraki çıkış voltajını algılar. LM2596'nın 5.0V sabit modelinde dahili hassas direnç bölücü voltajı 1.23V referans seviyesine indirir. Hata yükselteci referans ile çıkış arasındaki farkı yükselterek 150 kHz testere dişi dalgaya karşı PWM karşılaştırıcının eşiğini belirler. Giriş voltajı düştüğünde veya yük arttığında görev döngüsü D otomatik genişleyerek çıkış voltajını ±%4 sınırında tutar.

Tasarım Denklemleri ve Hesaplama Formülleri

Buck dönüştürücü görev döngüsü (duty cycle)

D = VOUT + VDVIN − VSAT + VD ≈ VOUTVIN

Anahtar iletim süresinin toplam anahtarlama periyoduna oranı. Anahtar doyma düşüşü VSAT (~1.16V) ve diyot ileri düşüşünü VD (~0.45V) hesaba katar.

SembolParametreTipik değer
VOUTRegüle çıkış voltajı5.0V
VINDC giriş voltajı12.0V
VDSchottky diyot ileri gerilim düşüşü0.45V
VSATDahili anahtar doyma voltaj düşüşü1.16V
DGörev döngüsü oranı0.48ratio

Bobin tepeden tepeye dalgalanma akımı

Δ IL = (VIN − VOUT) · Dfs · L

Anahtar iletimi sırasında L1 bobininden geçen akımın doğrusal artış genliği. Sürekli iletim modunun (CCM) sınırını belirler.

SembolParametreTipik değer
VINDC giriş voltajı12.0V
VOUTRegüle çıkış voltajı5.0V
DGörev döngüsü oranı0.42ratio
fsDahili anahtarlama frekansı150000Hz
LFiltre bobin endüktansı0.000033H
Δ ILTepeden tepeye bobin dalgalanma akımı0.60A

Çıkış voltajı dalgalanması

Δ VOUT ≈ Δ IL · (ESR + 18 · fs · COUT) ≈ Δ IL · ESR

Regüle çıkış hattındaki tepeden tepeye AC dalgalanma voltajı. 150 kHz'de temel olarak C2'nin Eşdeğer Seri Direncine (ESR) bağlıdır.

SembolParametreTipik değer
Δ ILBobin dalgalanma akımı0.60A
ESRÇıkış kapasitörü eşdeğer seri direnci0.05Ω
fsAnahtarlama frekansı150000Hz
COUTÇıkış filtre kapasitansı0.00022F
Δ VOUTTepeden tepeye çıkış dalgalanma voltajı0.03V

LM2596 dahili güç kaybı

PD = (IOUT · VSAT · D) + (VIN · IQ) + (12 · VIN · IOUT · (tr + tf) · fs)

Monolitik entegre içinde oluşan iletim, sükunet ve anahtarlama geçiş kayıplarının toplam termal gücü.

SembolParametreTipik değer
IOUTSürekli DC yük akımı3.0A
VSATAnahtar doyma voltajı1.16V
DGörev döngüsü oranı0.42ratio
VINGiriş voltajı12.0V
IQÇalışma sükunet akımı0.005A
tr + tfAnahtar yükselme ve düşme geçiş süreleri0.00000005s
fsAnahtarlama frekansı150000Hz
PDToplam entegre güç kaybı1.66W

Malzeme Listesi (BOM)

Bu devreyi kurmak için gereken tüm parçalar. Şemada incelemek için bir referans tanımlayıcı seçin.

Ref.BileşenDeğerKılıfDevredeki rolüKaynak
Texas Instruments LM2596-5.0 anahtarlamalı regülatör

TI SNVS124G Tablo 6-1; Pin 1 VIN, Pin 2 OUTPUT, Pin 3 GND, Pin 4 FEEDBACK, Pin 5 ON/OFF. Sabit 5.0V çıkışlı model.

LM2596T-5.0TO-220-5Monolitik 150 kHz 3A adım düşürücü regülatörTexas Instruments LM2596-5.0 anahtarlamalı regülatör: pin yapısı ve veri sayfası
ON Semiconductor Schottky Doğrultucu

40V ters dayanım, 3.0A sürekli ileri akım, 3A'de VF <= 0.45V. Hızlı toparlanma süresi (< 10 ns) ters iletim darbelerini engeller.

1N5822DO-201ADSerbest dolaşım Schottky diyotu (catch diode)—
Pulse Electronics Toroid Güç Bobini

Pulse PE-53833 / Schott 67144070; 33 µH ±%15, doyma akımı >= 3.6A. TI SNVS124G Tablo 9-1 önerilen parça.

33µH / 3.5AThrough-hole ToroidBuck enerji depolama ve filtreleme bobini—
Nichicon Düşük ESR Giriş Elektrolitik Kapasitörü

Nichicon PL serisi (UPL1H681MPH); 50V değeri 12V–40V giriş için güvenlik marjı sağlar; bacak boyu Pin 1 ve Pin 3'e 6 mm'den kısa olmalıdır.

680µF / 50VRadial ElectrolyticGiriş yüksek frekans dalgalanma akımı dekuplajı—
Nichicon Düşük ESR Çıkış Elektrolitik Kapasitörü

Nichicon PL serisi (UPL1E221MPH); çıkış dalgalanmasını 50 mV altında tutmak için ESR < 0.08 Ω gereklidir.

220µF / 25VRadial ElectrolyticÇıkış filtre ve düzeltme kapasitörü—
DC Güç Giriş Portu

Birincil DC giriş hattı; 7V minimumdan 40V mutlak maksimuma kadar çalışır.

+12V DC (7V–40V)Terminal Block / HeaderRegülesiz DC besleme girişi—
DC Güç Çıkış Portu

Sürekli regüle 5.0V çıkış hattı; yeterli soğutma ile 3.0A'e kadar sürekli akım sağlar.

+5.0V DC (up to 3A)Terminal Block / Header5V DC regüle yük çıkışı—

Pratik Uygulama Alanları ve Kullanım Senaryoları

12V veya 24V endüstriyel besleme hatlarından yüksek verimli 5V DC regülasyonu
Isı kaybını azaltmak için doğrusal LDO regülatörler öncesi ön regülasyon aşaması
7V - 40V geniş giriş toleransı gerektiren otomotiv ve bataryalı sistemler
3A'e kadar akım çeken mikrodenetleyici kartları ve gömülü mantık devreleri

Kritik Tasarım Tuzakları ve Mühendislik İpuçları

Gerçek montajlarda karşılaşılan tuzaklar ve her birinin çözümü.

Uyarı

Çıkış kapasitörünün ESR değeri dalgalanmayı belirler

Standart genel amaçlı elektrolitik kapasitör kullanılması 200–500 mV yüksek frekans dalgalanmasına yol açarak mikrodenetleyicilerde brownout resetine veya geri besleme dengesizliğine neden olur.

Önlem

0.1 Ω altında ultra düşük ESR'ye sahip kapasitörler seçin (Nichicon PL/HE, Panasonic HFQ veya katı polimer). Çıkış dalgalanması bobin dalgalanma akımı ile ESR'nin çarpımına eşittir.

Kritik

Hızlı Schottky diyot zorunluluğu (kesinlikle 1N4007 kullanmayın)

D1 yerine standart silikon doğrultucu (1N4007 veya 1N5408 gibi) kullanılması yavaş toparlanma süresi (trr > 2 µs) nedeniyle diyotun ve U1'in saniyeler içinde aşırı ısınıp yanmasına yol açar.

Önlem

Her zaman en az 3A ve 40V değerine sahip hızlı Schottky bariyer diyotu kullanın (1N5822, B340A veya MBR340). Sıfır toparlanma süresine ve düşük ileri voltaj düşüşüne sahiptir (VF <= 0.45V).

Uyarı

3A sürekli yükte termal kayıp ve soğutucu ihtiyacı

Anahtarlamalı regülatörün 3A yükte hiç ısınmayacağını varsaymak. 1.16V doyma düşüşü ve %42 görev döngüsünde dahili kayıp 1.5W–2.5W değerine ulaşarak soğutucusuz TO-220 kılıfı (θJA = 65°C/W) 125°C üzerine çıkarır.

Önlem

Sürekli 3A çalışma altında bağlantı sıcaklığını 125°C altında tutmak için uygun soğutucu veya TO-263 kılıflarda en az 12 cm² bakır alan sağlayın.

Uyarı

Baskı devre yerleşimi ve geri besleme hattı gürültü yalıtımı

Pin 4 (FEEDBACK) yolunun gürültülü Pin 2 anahtarlama hattına yakın veya L1 bobini altından çekilmesi hata yükselteci girişine elektromanyetik parazit bindirerek düzensiz darbelere yol açar.

Önlem

Geri besleme yolunu C2 çıkış kapasitörünün artı ucundan Pin 4'e kartın diğer yüzünden, Pin 2, D1 ve L1 bileşenlerinden uzakta yönlendirin. Pin 2, D1 ve C1 toprak döngü alanını minimumda tutun.

Birincil kaynaklar

Bu sayfanın doğru kalmasına yardım edin

Bu devreyi kurdunuz, simüle ettiniz veya incelediniz mi? Onaylayın ya da yanlış bir parça, değer veya bağlantıyı bildirin.

Şemadaki hatayı bildirBu şemayı onayla

GitHub'da bu sayfanın önceden doldurulduğu herkese açık bir form açar; ücretsiz bir GitHub hesabı gerekir. Bildirimler ve onaylar nasıl işler

Şemayı dışa aktar

Şemayı dokümantasyon, sunum veya CAD'de düzenlemek için indirin.

Siteye Göm (Embed)

Bu etkileşimli şemayı sitenize, blogunuza veya laboratuvar kılavuzunuza ekleyin.

HTML kodu

<iframe src="https://circuitbase.tech/embed/schematic/lm2596-step-down-buck-converter?theme=paper" width="100%" height="500" frameborder="0" loading="lazy" style="border: 1px solid #e5e7eb; border-radius: 6px; max-width: 100%;" title="LM2596 Adım Düşürücü Buck Dönüştürücü (5V / 3A) — CircuitBase Interactive Schematic"></iframe>