基于 LM2576 的降壓電源分析和設(shè)計(jì)

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設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)一個(gè)基于LM2576降壓開(kāi)關(guān)電源，輸入15-24V，輸出5V/2.5A。要求提供完整的理論設(shè)計(jì)報(bào)告和測(cè)試表格；要求盡量降低輸出紋波，減小體積，提高性價(jià)比；要求合理的布局布線，并提供說(shuō)明；要求提供合適的測(cè)試接口，以方便測(cè)試；要求5V/0.5A時(shí)LM2576工作在斷續(xù)模式。

這個(gè)是當(dāng)年參加電子設(shè)計(jì)集訓(xùn)時(shí)崔老師出的題目，如今時(shí)間已經(jīng)過(guò)去快2年了，有些記憶正在逐漸消失。抽出時(shí)間將它的設(shè)計(jì)方案整理下來(lái)發(fā)布在網(wǎng)上，供正在入門(mén)開(kāi)關(guān)電源的朋友交流探討，也供自己回顧一些技術(shù)細(xì)節(jié)。江畔何人初見(jiàn)月，江月何年初照人？人生總要留下點(diǎn)東西，否則怎么證明曾經(jīng)存在過(guò)呢？

一． 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用LM2576-ADJ芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)LM2576芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)確定此次涉及電路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)電路圖如圖1-1所示。

LM2576芯片有固定電壓和可調(diào)電壓兩種，所謂固定電壓，其實(shí)就是芯片內(nèi)部把反饋端的兩個(gè)分壓電阻集成在里面了，所謂可調(diào)電壓，就是芯片的使用者可以通過(guò)配置反饋引腳外部的兩個(gè)分壓電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。順便提一下，有時(shí)候會(huì)看到LM2576有個(gè)后綴HV，它的意思是該芯片是高壓版本，能夠耐受的電壓比不帶后綴的要高。

圖1-1

二． 理論分析和計(jì)算

1、輸入電容的選擇

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦，采用100uF的鋁電解電容作為輸入電容，因?yàn)榭紤]到安全性，耐壓值取輸入電壓的1.5倍，所以電容耐壓值選用50V的。

2、二極管的選擇

選擇肖特基二極管，保留20%裕量，電流至少是最大負(fù)載電流的1.2倍，所以承受電流應(yīng)為2.5*1.2=3A；承受電壓至少是最大輸入電壓的1.25倍，所以承受電壓至少為1.25*24=30V。

這里說(shuō)明一下，為什么我們不選擇常見(jiàn)的1N4007等二極管。主要是兩個(gè)原因：1.肖特基的導(dǎo)通壓降比較小。2.LM2576的開(kāi)關(guān)頻率是52KHz固定值，這個(gè)頻率對(duì)于1N4007來(lái)說(shuō)太高了，可能會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷不及時(shí)的問(wèn)題，而肖特基由導(dǎo)通轉(zhuǎn)化為截止時(shí)非常迅速，可以勝任開(kāi)關(guān)頻率下的工作。

綜合考慮選擇貼片二極管SS34，3A電流40V耐壓，對(duì)應(yīng)的直插二極管時(shí)1N5822。(SS14對(duì)應(yīng)1N5819，1A電流40V耐壓)

3、電感的推導(dǎo)

電感是開(kāi)關(guān)電源中的核心器件，沒(méi)有電感就沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)你學(xué)會(huì)電感的推導(dǎo)，是一個(gè)很大的進(jìn)步。我們使用電路分析的知識(shí)，完全可以一步一步來(lái)推到電感的計(jì)算。接下來(lái)建議拿出紙和筆，寫(xiě)寫(xiě)畫(huà)畫(huà)，對(duì)理解更加有幫助。

我們將芯片內(nèi)部的控制環(huán)省去，抽象出來(lái)這么一個(gè)電路：

其中Q1是芯片的PWM波控制的開(kāi)關(guān)管，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T時(shí)間內(nèi)，PWM波高電平Q1導(dǎo)通，低電平截止。

這里我們想象MOS管Q1為開(kāi)關(guān)S就好，推導(dǎo)時(shí)忽略二極管的導(dǎo)通壓降。???????

????????S閉合時(shí)，二極管截止，電流流經(jīng)L1,Co后回到負(fù)極，此時(shí)有：

?????? S斷開(kāi)時(shí)，電感電流不突變，電流在L1,Co,D1之間順時(shí)針流動(dòng)，此時(shí)有：

? ? ? ?記S閉合的時(shí)間為DT，斷開(kāi)的時(shí)間為(1-D)T，在一個(gè)周期T內(nèi)，電感的平均電流為零：

?????? 則：

? ? ? ?這就是BUCK電路的電壓傳遞公式由來(lái)。即理想情況下，輸出電壓等于輸入電壓與占空比的乘積

從這個(gè)公式可以看出，在理論上，占空比為50%的時(shí)候，BUCK電路的輸出電壓正好為輸入的一半。實(shí)際調(diào)試板子的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)占空比為50%，輸出電壓其實(shí)不到輸入電壓的一半，這是由于各種損耗所導(dǎo)致的。

外部元器件的參數(shù)計(jì)算：

?????? 電感的VAR：

?????? 充能時(shí)電感的電流增加的斜率：

?????? 放能時(shí)電感的電流減小的斜率：

觀察電感儲(chǔ)能時(shí)的電流曲線：

我們可以得到：

（式子左邊為電感電流峰峰值）

充電時(shí)所需的電感值：

再看電感放能時(shí)的電流曲線：

根據(jù)上文推導(dǎo)的BUCK電路電壓公式，

??

根據(jù)充電或放電的電流變化曲線，可以得到相同的電感值：

這里輸入輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率均已知，剩下一個(gè)紋波電流峰峰值，一般取均值電流的0.2-0.4倍即可。當(dāng)然紋波電流峰峰值取值越小，輸出電壓紋波越小，但所需的電感也就越大，成本越高。

所以，結(jié)合電感的電流波形圖，我們只需令5V/0.5A輸出時(shí)，正好是占空比最大且電感電流處在臨界導(dǎo)通模式，即可滿足15-24V之間任意輸入下工作在斷續(xù)模式的要求。這里可能一下子比較難理解，這樣說(shuō)好了，當(dāng)輸入15V滿足這個(gè)斷續(xù)模式條件時(shí)，24V的時(shí)候一定也滿足，因此僅需考慮15V輸入的情況，也就是占空比最大的時(shí)候。占空比最大時(shí)為D=5/15=1/3, 利用上述充電時(shí)所需的電感值公式，代入相應(yīng)的值，可求得所需電感為64.1uH。根據(jù)實(shí)際情況，我們最后采用的是60uH的電感。滿足在5V/0.5A下工作在電感電流斷續(xù)模式。

這里務(wù)必提一下，實(shí)際制作電路不可以使用信號(hào)調(diào)理電路中使用的小電流電感，開(kāi)關(guān)電源里面的儲(chǔ)能電感必須使用功率電感。因?yàn)檫@里不是過(guò)濾信號(hào)，而是持續(xù)地流過(guò)大電流并儲(chǔ)存能量。

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4、輸出電容的選擇

根據(jù)TI的手冊(cè)和相關(guān)資料，輸出電容應(yīng)滿足? ??,其另外輸出電容不超過(guò)2200uF，不小于10微法，取參數(shù)??, 計(jì)算得輸出電容798uF, 所以選擇相近的1000uF電容。

又因?yàn)檩敵鲭娙莸哪蛪褐抵辽偈禽敵鲭妷旱?.5倍，所以輸出電容的耐壓值應(yīng)該，故選擇耐壓值16V的電容。

綜合容量和耐壓，選擇1000uF/16V的鋁電解電容，實(shí)際做板子時(shí)可以采用多個(gè)小電容并聯(lián)的方式。

5、R1、R2電阻阻值的選擇

R1選擇阻值在1KΩ-5KΩ之間，方便選擇和計(jì)算，取R1為4.7KΩ。

查閱芯片手冊(cè)，可知?

這里說(shuō)明一下，1.23V 是 LM2576 電源芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)源電壓，不同的芯片這個(gè)值不一樣。至于為什么有這么一個(gè)基準(zhǔn)電壓，有興趣的可以研究開(kāi)關(guān)電源芯片的環(huán)路控制。

我們的設(shè)計(jì)中，輸出電壓為5V，根據(jù)上式計(jì)算得R2得值為14.4KΩ。因?yàn)橛?jì)算和元件都存在誤差，電阻要保留一定裕量，實(shí)現(xiàn)小幅度電壓調(diào)節(jié)，所以實(shí)際取R2為20KΩ的變阻器。

三． 原理圖和PCB

1、采用Altium Designer設(shè)計(jì)電路原理圖

2、PCB布線圖，3D預(yù)覽

PCB布局參考了TI Datasheet 中的 Layout

四． 測(cè)試數(shù)據(jù)

1.額定負(fù)載下開(kāi)關(guān)電源輸出

額定負(fù)載下開(kāi)關(guān)電源輸出表

測(cè)試序號(hào)	輸入			輸出			效率 (%)
	電壓（V）	電流（A）	功率（W）	電壓（V）	電流（A）	功率（W）
1	15	1.02	15.3	4.917	2.503	12.31	80.4
2	18	0.85	15.3	4.918	2.513	12.36	80.7
3	20	0.76	15.2	4.920	2.513	12.36	81.3
4	22	0.69	15.18	4.919	2.514	12.37	81.4
5	24	0.63	15.12	4.916	2.514	12.36	81.7

相關(guān)測(cè)試圖表：

2.線性調(diào)整率

輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)變化，輸出電壓的變化率。該指標(biāo)越小越好。

線性調(diào)整率的計(jì)算

（負(fù)載2.5A, 輸入電壓為15V和24V兩個(gè)極端值）

最小輸出電壓	最大輸出電壓	線性調(diào)整率（%）
4.917	4.916	0.02

3.負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載在規(guī)定范圍內(nèi)變化，輸出電壓的變化率。該指標(biāo)越小越好。

負(fù)載調(diào)整率的計(jì)算

（不同輸入電壓下，負(fù)載電流從空載至滿載）

測(cè)試序號(hào)	輸入電壓（V）	輸出電壓（空載）	輸出電壓（滿載）	負(fù)載調(diào)整率（%）
1	15	5.000	4.917	1.66
2	18	5.001	4.918	1.66
3	20	5.003	4.920	1.66
4	22	5.004	4.919	1.70
5	24	5.002	4.916	1.72

負(fù)載調(diào)整率隨輸入電壓的變化圖

4.紋波

電源的紋波測(cè)試，展開(kāi)來(lái)講也是一門(mén)學(xué)問(wèn)，這里說(shuō)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：示波器測(cè)量通道切到交流耦合，帶寬限制20MHz，探針避免使用地線夾，應(yīng)盡量采用接地環(huán)。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有保存紋波圖片，這邊就不放了。

紋波的測(cè)量表

測(cè)試序號(hào)	輸入電壓（V）	輸入電流（A）	輸出電壓（V）	輸出電流（A）	紋波（mV）
1	15	1.02	4.917	2.503	57.6
2	18	0.85	4.918	2.513	63.2
3	20	0.76	4.920	2.513	67.2
4	22	0.69	4.919	2.514	68.8
5	24	0.63	4.916	2.514	71.2

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紋波隨輸出電壓的變化圖

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5.DCM模式（斷續(xù)模式）

由電感的充電電流圖可知，通過(guò)控制電感的值就能控制在相應(yīng)的負(fù)載電流下使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入斷續(xù)模式。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得知，當(dāng)輸入電壓為大于或等于15V時(shí)，輸出電流達(dá)到或小于0.5A時(shí)，LM2576-ADJ輸出引腳（與電感相連端）出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，即標(biāo)志著電路進(jìn)入了DCM模式。至于振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，記得藍(lán)皮的《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）》中有提及。實(shí)際上，在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源一般會(huì)避開(kāi)斷續(xù)模式。這里只是題目的設(shè)計(jì)要求，以便加深對(duì)電感充放電的理解。

輸出電流為0.488A時(shí)工作在斷續(xù)模式，此時(shí)有振鈴現(xiàn)象，若電流持續(xù)下降，則現(xiàn)象越明顯，如下圖所示。

輸出電流為0.498A時(shí)工作在臨界連續(xù)模式，此處波形較為傾斜。如下圖所示。

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五． 總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，LM2576芯片的引腳不多，外圍元件少，配置簡(jiǎn)單，適合電源新手。但從LM2576的手冊(cè)中可以看到，該芯片是上世紀(jì)90年代的芯片，在集成電路技術(shù)日益發(fā)展的今天，畢竟有些年頭了。如果追求更高的效率和性能，完全可以選擇比較新的芯片，比如TI的TPS前綴的電源芯片，像TPS5430等。

最后，開(kāi)關(guān)電源一共由10多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，BUCK 電路是最簡(jiǎn)單的一種，也是非常常見(jiàn)的一種拓?fù)洹Ｒ话阌薪祲旱牡胤骄陀蠦UCK。可以說(shuō) BUCK 電路在電源界相當(dāng)于代碼界的“Hello World”，當(dāng)然這個(gè) BUCK 可比“Hello World”復(fù)雜多了。

參考文獻(xiàn)

[1] LM2576 Datasheet

[2]《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)(第三版)》，（美）普利斯曼 著，莫瑞 著，王志強(qiáng)等譯

完結(jié)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于LM2576的降压电源的分析与设计的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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