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LM2595 SIMPLE SWITCHER®功率转换器150 kHz 1A降压电压调节器(一)

日期:2020-10-29 标签:电压功率压电降压 类别: 阅读:3911 (来源:互联网)

功能描述

LM2595系列稳压器为单片式

3.3V、5V、12V和可调输出版本

提供所有有源功能的集成电路

可调输出电压范围,用于降压(降压)开关调节器,能够

1.2V至37V±4%最大过线和负载驱动1A负载,具有优良的线路和负载

条件规定。这些设备有固定输出

提供TO-220和TO-263(表面电压为3.3V、5V、12V和可调输出Mount)软件包版本。

确保1A输出负载电流需要最少数量的外部

输入电压范围高达40V元件,这些调节器使用简单

包括内部频率补偿†,并且只需要4个外部组件固定频率振荡器。

出色的线路和负载调节

LM2595系列在150 kHz的开关频率规格下工作,因此允许更小尺寸的滤波器

150 kHz固定频率内部振荡器组件比需要的更低

TTL关闭能力频率开关调节器。提供标准5引线至220封装,具有多个低功耗待机模式,IQ通常为85μA

不同的引线弯曲选项,以及5引线到263

表面贴装封装。通常,对于输出电压

使用低于12V的现成标准电感器,环境温度低于50°C,不需要散热器。

热关机和电流限制

保护标准系列电感器可从几个不同的制造商针对应用LM2595系列。此功能极大地简化了开关电源的设计。

简单高效降压(Buck)

调节器其他特性包括确保±4%的公差

规定输入电压下的输出电压和•线性调节器的高效预调节器

输出负载条件,以及振荡器上的±15%

卡上开关调节器频率。包括外部关机,特点是正负转换器通常为85μA备用电流。自我保护特点包括两级频率降低输出开关的电流限制和在以下条件下完全保护的温度停机故障条件。

LM2595-3.3电气特性

标准型面规范适用于TJ=25°C,黑体字规范适用于全工况温度范围。

(1) 典型值为25°C,代表最有可能的标准值。

(2) 在室温(标准型面)和极端温度下(粗体字面)规定的所有限值。所有室温限制100%生产测试。极端温度下的所有限值均通过使用标准统计质量控制的相关性进行规定(SQC)方法。所有限制用于计算平均出货质量水平(AOQL)。

(3) 外部元件,如捕捉二极管、电感器、输入和输出电容器以及电压编程电阻器都会影响开关调节器系统性能。当使用LM2595时,如图21测试电路所示,系统性能将如电气特性部分的系统参数所示。

LM2595-5.0电气特性

标准型面规范适用于TJ=25°C,黑体字规范适用于全工况温度范围。

(1) 典型值为25°C,代表最有可能的标准值。

(2) 在室温(标准型面)和极端温度下(粗体字面)规定的所有限值。所有室温限制100%生产测试。极端温度下的所有限值均通过使用标准统计质量控制的相关性进行规定(SQC)方法。所有限制用于计算平均出货质量水平(AOQL)。

(3) 外部元件,如捕捉二极管、电感器、输入和输出电容器以及电压编程电阻器都会影响开关调节器系统性能。当使用LM2595时,如图21测试电路所示,系统性能将如电气特性部分的系统参数所示。

所有输出电压版本电气特性

标准型面规范适用于TJ=25°C,黑体字规范适用于全工况温度范围。除非另有规定,对于3.3V、5V和可调版本,VIN=12V;对于12V版本。ILOAD=200毫安

(1) 典型值为25°C,代表最有可能的标准值。

(2) 在室温(标准型面)和极端温度下(粗体字面)规定的所有限值。所有室温限制100%生产测试。极端温度下的所有限值均通过使用标准统计质量控制的相关性进行规定(SQC)方法。所有限制用于计算平均出货质量水平(AOQL)。

(3) 当第二级电流限制被激活时,开关频率降低。减少量由电流过载的严重性。

(4) 没有二极管,电感器或电容器连接到输出引脚。

(5) 反馈引脚从输出端移除并连接到0V,以强制输出晶体管接通。

(6) 反馈引脚从输出端移除并连接至12伏,用于3.3伏、5伏和调整。对于12V版本,则为15V输出晶体管关断。

所有输出电压版本电气特性(续)

标准型面规范适用于TJ=25°C,黑体字规范适用于全工况温度范围。除非另有规定,对于3.3V、5V和可调版本,VIN=12V;对于12V版本。ILOAD=200毫安

(7) VIN=40伏。

(8) 垂直安装的to-220封装的环境热阻(无外部散热片),引线焊接到印刷电路板,铜面积(1盎司)约为1平方英寸。

(9) 将to-263封装标签焊接到一个0.5英寸(1盎司)的印刷电路板上,连接到环境热电阻铜区。

(10) 将to-263封装凸耳焊接到单面印刷电路板上(1铜区。

(11) 将to-263封装凸耳焊接到双面印刷电路板上,与环境热电阻连接板LM2595S侧的铜面积,以及p-c板另一侧约16 in2的铜面积。参见应用程序简单的数据表3.4中的软件和热开关。

典型性能特征(图21电路)

引脚功能

+这是IC开关调节器的正输入电源。一个合适的输入旁路电容器必须在该引脚上,以最小化电压瞬变,并提供所需的开关电流调节器。

接地电路接地。

输出内部开关。此针脚处的电压在(+VIN−VSAT)和大约−0.5V之间切换,使用占空比大约为VOUT/VIN。为了尽量减少对敏感电路的耦合,PC板采用铜质连接到该引脚的面积应保持在最小值。反馈感应调节输出电压以完成反馈回路。开/关允许使用逻辑电平信号关闭开关调节器电路,从而降低总电流输入电源电流约为85μA。将该引脚拉至阈值电压以下约1.3V打开调节器,将此销拉到1.3V以上(最高25V)关闭调节器趴下。如果该引脚不需要接地,则可以将其接地保持打开,在任何一种情况下,调节器都将处于接通状态。

外部元件输入电容器

CIN-在输入引脚和接地引脚之间需要一个低ESR的铝或钽旁路电容器。它必须使用短导线位于调节器附近。该电容器可防止大电压瞬变出现在输入端,并提供每次开关打开时所需的瞬时电流。输入电容器的重要参数是电压额定值和均方根电流额定值。因为在降压调节器的输入电容器中流动的相对较高的均方根电流,应选择该电容器其均方根电流额定值而不是其电容或电压额定值,尽管电容值和电压额定值与均方根电流额定值直接相关。电容器的均方根电流额定值可以看作是电容器的额定功率。均方根电流通过电容器内部的ESR产生功率,使电容器的内部温度站起来。电容器的均方根电流额定值由提高内部电流所需的电流量决定温度比环境温度105℃高出约10℃。电容器的消散能力对周围空气的热量将决定电容器能够安全承受的电流量。电容器物理尺寸大,表面积大,通常具有较高的均方根电流额定值。为了一个给定的电容值,较高电压的电解电容器在物理上比低压电容器大,并且因此能够向周围空气散发更多热量,因此具有更高的均方根电流额定值。如果电解电容器的额定电流高于均方根值,则会缩短操作时间生活。较高的温度会加速电容器电解液的蒸发,最终导致故障。选择输入电容器需要咨询制造商的数据表,以获得最大允许有效值纹波电流。对于40°C的最高环境温度,一般指导原则是选择具有纹波电流额定值约为直流负载电流的50%。环境温度高达70°C时,a对于保守的设计,额定电流为直流负载电流的75%是一个不错的选择。电容器额定电压必须至少是最大输入电压的1.25倍,而且通常要高得多电压电容器需要满足均方根电流的要求。图26所示的图表显示了电解电容器值、其额定电压和额定的均方根电流。这些曲线是从低ESR、高ESR的Nichicon“PL”系列获得的为开关调节器应用设计的可靠性电解电容器。其他电容器制造商提供类似类型的电容器,但一定要检查电容器数据表。“标准”电解电容器通常具有更高的ESR值、更低的均方根电流额定值和通常使用寿命较短。

表面贴装固体钽电容器因其体积小、性能优良等优点而被广泛应用对于输入旁路,但必须遵守几个预防措施。少量固体钽电容器如果超过励磁涌流额定值,则可能短路。当输入电压突然升高时,这种情况可能会发生当然,更高的输入电压会产生更高的励磁涌流。几家电容器制造商都有最大限度地减少产品电流激增的可能性。如果高开启电流预计,可能有必要通过在钽电容器,或选用电压较高的电容器。与铝电解电容器一样,均方根纹波额定电流的大小必须与负载电流相适应。

前馈电容器

(输出电压可调型)当输出电压大于10伏或当COUT的血沉很低时。该电容器为反馈回路增加了引线补偿增加相位裕度以获得更好的环路稳定性。有关CFF的选择,请参阅设计程序部分。

输出电容器

需要一个输出电容器来过滤输出并提供调节器回路的稳定性。低阻抗或必须使用设计用于开关调节器应用的低ESR电解或固体钽电容器。当选择输出电容器时,重要的电容器参数是:100 kHz等效系列电阻(ESR)、均方根纹波电流额定值、电压额定值和电容值。对于输出电容器,ESR值是最重要的参数。输出电容器需要一个有上限和下限的ESR值。对于低输出纹波电压,a需要低ESR值。该值由最大允许输出纹波电压确定,通常为1%输出电压的2%。但如果所选电容器的ESR极低,则有可能反馈回路不稳定,导致输出振荡。使用表中列出的电容器,或类似类型,将提供所有条件下的设计解决方案。如果需要非常低的输出纹波电压(小于15毫伏),请参阅输出电压部分后纹波滤波器的纹波和瞬态。铝电解电容器的ESR值与电容值及其额定电压有关。在大多数情况下在这种情况下,较高电压的电解电容器的ESR值较低(见图27)。通常,电容器可能需要更高的电压额定值,以提供低输出纹波电压所需的低ESR值。在许多不同的开关设计中,输出电容往往只能满足三个或四个不同的电容值和几种不同的额定电压。请参见中的快速设计组件选择表表2和表4列出了典型的电容器值、电压额定值和制造商的电容器类型。电解电容器不建议用于温度低于−25°C的环境中。冷态时,ESR急剧上升温度通常在−25°C时升高3倍,在−40°C时升高10倍。见图28所示曲线。

固体钽电容器在低温下具有更好的ESR规范,建议用于温度低于−25°C。

捕捉二极管

当开关关断时,降压调节器需要一个二极管为电感电流提供一个返回路径。这个必须是快速二极管,并且必须使用短引线和短印刷电路痕迹位于LM2595附近。由于其非常快的开关速度和低的正向电压降,肖特基二极管提供了最好的性能,特别是在低输出电压应用(5V及以下)。超快速恢复,还是高效整流器也是一个很好的选择,但是一些具有突然关断特性的类型可能会导致不稳定或电磁干扰问题。超快恢复二极管的反向恢复时间通常为50ns或更少。整流器因为1N5400系列太慢,不应使用。

感应器选择

所有的开关调节器都有两种基本的工作模式:连续和不连续。区别这两种类型之间与电感器电流有关,无论它是连续流动的,还是如果它下降到零正常切换周期中的一段时间。每种模式都有不同的运行特性,这会影响调节器的性能和要求。大多数交换机设计将在负载电流低时的间断模式。LM2595(或任何简单开关系列)可用于操作。

在许多情况下,首选的操作模式是连续模式。它提供更大的输出功率,更低峰值开关,电感和二极管电流,并可以有较低的输出纹波电压。但它确实需要更大的保持感应器电流持续流动的电感器值,特别是在低输出负载电流和/或高输入电压。为了简化电感器的选择过程,设计了电感器选择指南(诺模图)(见图22图25)。本指南假定调节器在连续模式下运行,并选择电感器,将允许峰值到峰值电感器纹波电流的某个百分比最大化设计负载电流。这个峰值到峰值的电感器纹波电流百分比不是固定的,但允许改变为选择不同的设计负载电流。(见图29。)

通过允许低负载电流下电感器纹波电流的百分比增加,电感器的值和尺寸可以保持相对较低。在连续模式下工作时,电感器电流波形从三角形到锯齿形波形类型(取决于输入电压),此电流波形的平均值等于直流输出负载电流。电感器有盆芯、环面、E型芯、线轴芯等不同款式,也有不同的核心材料,如铁氧体和铁粉。最便宜的,线轴,棒或棒芯,包括绕在铁氧体线轴上的线。这种结构使电感变得便宜,但由于磁通量并不完全包含在磁芯内部,它会产生更多的电磁干扰(EMl)。这种磁通量会将电压感应到附近的印刷电路轨迹中,从而导致两种电路的问题开关调节器操作和附近的敏感电路,可能会给出错误的量程读数,因为示波器探头中的感应电压。另请参阅开芯电感器一节。当多个开关调节器位于同一个PC板上时,开磁芯会导致两个或多个调节器电路之间的干扰,尤指在高电流下。环形或E芯电感器(闭合磁性结构)应在这些情况下使用。选择表中列出的电感器包括肖特的铁氧体E型磁芯结构,用于用于脉冲工程的铁粉环。超过电感器的最大电流额定值可能会导致电感器因铜线而过热否则磁芯可能饱和。如果电感器开始饱和,电感迅速减小,并且电感器开始看起来主要是电阻(绕组的直流电阻)。这会导致开关电流迅速上升,迫使开关进入一个周期的电流限制,从而降低直流输出负载电流。这也会导致感应器和/或LM2595过热。不同的电感器类型有不同的饱和特性,在选择电感器时应记住这一点。电感器制造商的数据表包括电流和能量限制,以避免电感器饱和。

间断模式运行

选择指南选择适合于连续模式操作但适用于低电流的电感值应用和/或高输入电压,间断模式设计可能是更好的选择。它需要一个物理上更小的电感器,只需要所需电感值的一半到三分之一连续模式设计。在不连续设计中,峰值开关和电感器电流会更高,但在这些低负载电流(400毫安及以下),最大开关电流仍将小于开关电流限制。不连续操作的电压波形与连续设计有很大的不同。输出引脚(开关)波形可能有一些阻尼正弦振铃。(见典型性能特征图片标题为不连续模式切换波形)此振铃对于不连续是正常的而不是由反馈回路的不稳定性引起的。在间断操作中,有一段时间当开关或二极管都不导通时,电感器电流降到零。在这期间时间,少量的能量可以在电感器和开关/二极管寄生电容之间循环引起这种特有的铃声。通常情况下,这种振铃不是问题,除非振幅变大足以超过输入电压,即使这样,也几乎没有能量造成损坏。不同类型的电感器和/或磁芯材料会产生不同数量的这种特性振铃。铁氧体磁芯电感器的铁心损耗很小,因此产生的响铃最多。铁粉的高铁损电感器产生较少的响声。如果需要,可以将串联RC与电感器并联以抑制正在响。计算机辅助设计软件Switchers Make Simple(4.3版)将提供所有组件连续和不连续操作模式的值。

输出电压纹波和瞬态

在连续模式下工作的开关电源的输出电压将包含锯齿波切换器频率下的电压,也可能包含锯齿波峰值处的短电压尖峰波形。输出纹波电压是电感器锯齿波电流和输出ESR的函数电容器。典型的输出纹波电压范围约为输出电压的0.5%至3%。到获得低纹波电压时,输出电容器的ESR必须很低,但是,当使用极低ESR电容器,因为它们会影响回路稳定性,导致振荡问题。如果需要极低的输出纹波电压(小于20毫伏),建议使用后纹波滤波器。(见图21。)所需的电感通常在1μH到5μH之间,直流电阻较低,以保持良好的负载法规。低ESR输出滤波器电容器也需要确保良好的动态负载响应和纹波减少。这个电容器的ESR可能是期望的低,因为它在调节器反馈回路之外。图30所示的照片显示了一个典型的输出纹波电压,有或没有后纹波滤波器。当用示波器观察输出纹波时,必须将一个短的、低电感的示波器探头接地使用连接。大多数示波器探头制造商提供一种特殊的探头终端,焊接在上面调节板,最好在输出电容器处。这提供了一个非常短的范围接地,从而消除了与探针通常配备的3英寸接地线相关的问题纹波电压波形更清晰、更准确。