LM2596 Step-Down Converter: Kredsløbsdesign, Effektivitet og Belastningstest

onsemi LM2596 er en justerbar udgang, ikke-synkron step-down-switching regulator, der konverterer en højere DC indgang til en lavere reguleret udgang. Den fungerer fra 4,5 V til 40 V og kan forsynes belastninger op til 3 A, når induktoren, fangdiode, kondensatorer, PCB-layout og termisk design opfylder databladets krav. Ved at skifte energi gennem en induktor i stedet for at aflede overskydende spænding som varme, kan den fungere mere effektivt end en lineær regulator. Denne artikel dækker dens pinout, drift, specifikationer, 12 V-til-5 V design, effektivitet, PCB-layout og belastningstest.

Katalog

Figur 1. LM2596

LM2596 Pinout og Pakker

Figur 2. LM2596 Pakke muligheder og Pin funktioner

onsemi LM2596 bruger en 5-pin konfiguration og tilbydes i TO-220 og D²PAK pakke familier. Databladet viser to TO-220 benform varianter og én D²PAK overflademonteret version.

LM2596 Pakke Muligheder

onsemi Pakke	Montagetype	Noter
TO-220, TV suffix, Case 314B	Gennemhul	Bøjet ben TO-220 version
TO-220, T suffix, Case 314D	Gennemhul	Lige ben TO-220 version
D²PAK, D2T suffix, Case 936A	Overflademontering	Overflademonteret effektpakke

Dette er onsemi-specifikke pakkenavne og sagsnumre. Andre producenter kan bruge forskellige suffikser eller pakke koder for elektrisk ækvivalent LM2596 enheder.

LM2596 Pin Funktioner

Pin	Navn	Funktion
1	VIN	DC indgangs strømforsynings forbindelse
2	Udgang	Switching node forbundet til induktoren og fangdiode
3	Jord	Jordreference for regulatoren
4	Feedback	Registrerer udgangsspændingen for regulering
5	ON/OFF	Aktiverer eller slukker regulatoren

For onsemi LM2596 gælder de samme fem elektriske pin-funktioner for de viste pakkeversioner. I justerbare versioner forbindes Feedback pin til en ekstern modstand divisor, der sætter udgangsspændingen.

Arkitektur & Arbejdsprincip

LM2596 Arkitektur

Figur 3. LM2596 Intern blokdiagram og typisk buck converter anvendelse

LM2596 er en ikke-synkron buck regulator, der integrerer hovedkontrolkredsløbet og en 3 A strømafbryder i én IC. Dens interne arkitektur inkluderer en 1,235 V reference, fejlforstærker, komparator, 150 kHz oscillator, latch, afbryderdriver, strømbegrænsningskredsløb, termisk nedlukning og ON/OFF kontrol. Den eksterne induktor, fangstdioden og udgangskapacitoren danner effektovergangs- og filtreringsstadiet. I den justerbare version registrerer feedback-modstandsnettet udgangsspændingen og returnerer en skaleret spænding til feedback-stiftet for regulering.

LM2596 Arbejdsprincip

Under drift skifter LM2596 gentagne gange sin interne strømtransistor ved en nominell 150 kHz. Når afbryderen tændes, strømmer strøm fra indgangen gennem afbryderen og induktoren til belastningen, hvilket lagrer energi i induktoren. Når afbryderen slukkes, holder induktoren strømmen flydende gennem den eksterne fangstdiode. Udgiftskapacitoren glatter skiftformbølgen og leverer belastningen mellem skifteintervaller. Feedback-kredsløbet sammenligner kontinuerligt den registrerede udgang med den interne reference og justerer afbryderens duty cycle for at opretholde den krævede udgangsspænding, efterhånden som indgangsspændingen eller belastningen ændres. Under overdreven strøm eller temperatur beskytter de indbyggede strømbegrænsnings- og termiske nedlukningskredsløb regulatoren; alvorlig overbelastning kan også få skiftefrekvensen til at falde.

LM2596 Nøglespecifikationer

Specifikation	Værdi
Regulator topologi	Ikke-synkron step-down buck regulator
Drifts indgangsspændingsområde	4,5–40 V
Justerbart udgangsspændingsområde	1,23–37 V
Udgangslaststrøm	Op til 3,0 A
Feedback reference spænding	1,23 V nominelt
Skiftefrekvens	150 kHz typisk
Afbryder mætning spænding	1,5 V typisk
Maksimal ON duty cycle	Ca. 95%
Hvilestrøm	5 mA typisk
Standby strøm	80 µA typisk
ON/OFF kontrol	ON under 1,6 V eller når den efterlades åben; OFF over 1,6 V
Drifts junction-temperaturområde	−40°C til +125°C
Beskyttelsesfunktioner	Cyklus-for-cyklus strømbegrænsning og termisk nedlukning
Loop-kompensation	Intern
Pakke familier	TO-220 og D²PAK
Fugtigheds følsomhedsniveau	MSL 1

Design af et 12 V til 5 V onsemi LM2596 kredsløb

Figur 4. LM2596 Justerbar 12 V til 5 V Typisk Anvendelseskreds

Den justerbare LM2596 bruger en feedback modstandsdeler til at indstille udgangsspændingen. Ligningen for udgangsspændingen er:

$$V_{\text{OUT}}=V_{\text{REF}}(1+\frac{R_2}{R_1})$$

hvor V_REF er cirka 1,23 V, R₁ forbinder fra Feedback-stift til jord, og R₂ forbinder fra den regulerede udgang til Feedback-stiften.

For at beregne R_2 for en krævet udgangsspænding:

$$R_2=R_1(\frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{REF}}}-1)$$

For en 5 V udgang med R₁ = 1.0" k" Ω:

$$R_2=1.0\text{kΩ}(\frac{5\text{V}}{1.23\text{V}}-1)\approx 3.07\text{kΩ}$$

Ved at bruge den 3,1 kΩ modstand, der vises i den typiske anvendelseskreds:

$$V_{\text{OUT}}=\mathrm{1,23}\text{V}(1+\frac{3.1\text{kΩ}}{1.0\text{kΩ}})\approx 5.04\text{V}$$

Derfor giver 3,1 kΩ værdien en udgang tæt på den nominelle 5 V målsætning.

For en ideel buck converter er den omtrentlige duty cycle:

$$D\approx \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}$$

For en 12 V indgang og 5 V udgang:

$$D\approx \frac{5\text{V}}{12\text{V}}\approx 0.417=41.7\text{\%}$$

Dette er et ideelt estimat. Den reelle duty cycle adskiller sig på grund af spændingsfald over den interne afbryder, Schottky-diode, induktor og PCB-forbindelser.

Ved en 3 A udgangslast er udgangseffekten:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{OUT}}=V_{\text{OUT}}{I}_{\text{OUT}}\\ P_{\text{OUT}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\end{array}$$

15 W værdien er udgangseffekt, ikke den effekt, der bruges af LM2596. Kontinuerlig 3 A drift afhænger stadig af induktoren, dioden, kondensatorerne, PCB-layout, køling og omgivelsestemperatur.

LM2596 Effektivitet og Termisk Ydeevne

Effektivitet sammenligner den DC-strøm, der leveres til belastningen, med den DC-strøm, der trækkes fra indgangen:

$$\eta =\frac{P_{\text{OUT}}}{P_{\text{IN}}}\times 100\text{\%}=\frac{V_{\text{UD}}{I}_{\text{UD}}}{V_{\text{IND}}{I}_{\text{IND}}}\times 100\text{\%}$$

onsemi rapporterer 73% typisk effektivitet for sin LM2596 testkreds ved V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, I_OUT = 3 A, og T_J = 25°C. Ved dette driftspunkt:

$$\begin{array}{c}{P}_{\text{UD}}=5\text{V}\times 3\text{A}=15\text{W}\\ P_{\text{IN}}\approx \frac{15\text{W}}{0.73}\approx 20.55\text{W}\\ P_{\text{TAB, total}}\approx 20.55\text{W}-15\text{W}\approx 5.55\text{W}\end{array}$$

Den beregnede 5.55 W er det samlede konvertertab, ikke kun den effekt, der bliver afledt inden i LM2596. Det inkluderer tab i den interne switch, Schottky diode, induktor, kondensatorer og PCB forbindelser. Fordi 73% er en typisk målt værdi, er den beregnede indgangseffekt og tab omtrentlige værdier snarere end garanterede resultater.

onsemi giver følgende forenklede estimat for effekten afledt inde i regulatoren:

$$\begin{array}{c}D\approx \frac{V_{\text{UD}}}{V_{\text{IND}}}\\ P_{\text{IC}}\approx \left(V_{\text{IND}}{I}_Q\right)+(D\times I_{\text{UD}}\times V_{\text{SAT}})\end{array}$$

Den omtrentlige stabiltilstand junction temperatur uden en heatsink er:

$$T_J\approx T_A+P_{\text{IC}}\times R_{\theta \text{JA}}$$

Kun den effekt, der afledes inde i LM2596, bør bruges som PIC. Brug ikke det samlede konvertertab på 5.55 W i junction-temperatur ligningen. Drift ved fuld belastning kan kræve en heatsink til TO-220 pakken eller tilstrækkelig PCB kobber til D²PAK pakken. Termisk nedlukning og strømbegrænsning er fejlsikringsfunktioner og bør ikke bruges som normale driftkontroller.

LM2596 PCB Layout, Ripple, og EMI

PCB layout påvirker stærkt LM2596 stabilitet, udgangsrippel og elektromagnetisk interferens. Placer CIN, D1, L1, og COUT tæt på regulatoren. Hold højstrømsvejene korte og brede, men minimér det kobberområde, der er forbundet til pin 2, fordi denne switch node bærer en hurtigt ændrende spænding.

For den faste LM2596-5.0, før pin 4 FB direkte til den regulerede udgang efter L1, helst tæt på den positive terminal af COUT. Hold denne trace væk fra switch node, diode, og induktor. Brug en lavimpedans jordforbindelse og undgå at lade høj strømmende dioder eller kondensatorer flyde gennem feedback jordforbindelsen.

Den omtrentlige peak-to-peak induktor ripple strøm er:

$${\Delta I}_L\approx \frac{V_{\text{UD}}(V_{\text{IND}}-V_{\text{UD}})}{V_{\text{IND}}L{f}_S}$$

For V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, L = 33 µH, og f_S = 150 kHz:

$${\Delta I}_L\approx 0.59\text{A peak-to-peak}$$

Udgangsspændingsripple er omtrent:

$${\Delta V}_{\text{UD}}\approx {\Delta I}_L\times \text{ESR}+\frac{{\Delta I}_L}{8f_S{C}_{\text{OUT}}}$$

Lavere kondensator ESR reducerer generelt ripple, men kondensatoren skal forblive inden for TI's kapacitans og ESR anbefalinger for stabil drift. En lukket kerne eller skjoldet induktor kan også reducere magnetfeltkopling og radiert EMI.

Mål ripple direkte over COUT med en kort oscilloskop jordfjeder. En lang probe jordledning kan opsamle switch støj og vise ringing, der faktisk ikke er til stede ved udgangen. Komponent- og layoutvejledning bør følge TI LM2596 databladet.

Bare LM2596 IC vs LM2596 Modul

Den bare onsemi LM2596 er kun switch-regulator IC'en. Den kræver en ekstern induktor, Schottky diode, kondensatorer, feedback modstande, og et korrekt designet PCB. En LM2596 modul kombinerer disse dele på én plade. Derfor beviser onsemi IC's 3 A vurdering ikke, at hver modul kan levere 3 A kontinuerligt.

Figur 5. Bare LM2596 IC vs LM2596 DC-DC Buck Converter Modul

Sammenligning	Bare LM2596 IC	LM2596 Modul
Inkluderede dele	Regulators IC kun	Regulator, induktor, diode, kondensatorer, feedback komponenter, og PCB
Enhed producent	Identificeret ved det komplette onsemi delenummer	Kan ikke antages fra modulnavnet eller IC mærkningen alene
Udgangsindstilling	Justerbar med en ekstern feedback divider	Almindeligvis justeret med en onboard potentiometer eller faste modstande
Strøm kapacitet	Designet til belastninger op til 3 A når de eksterne komponenter, PCB, og køling opfylder onsemi kravene	Kontinuerlig strøm er begrænset af IC, diode, induktor, kondensatorer, PCB spor, og køling
Indgangsområde	4,5–40 V driftområde; passende designmargin er stadig påkrævet	Kan være lavere på grund af kondensator, diode, stikforbindelse eller PCB-klassificeringer
Komponentudvalg	Kontrolleret og dokumenteret af kredsløbsdesigneren	Afhænger af modulproducenten og er måske ikke dokumenteret
Termisk ydeevne	Bestemt af TO-220 eller D²PAK pakke, PCB-kopper, kølelegeme og luftstrøm	Ofte begrænset af små kobberområder og begrænset luftstrøm
Verifikation	Kan beregnes, dokumenteres og testes under udvikling	Skal inspiceres og belastes, før kontinuerlig højstrømsdrift
Bedste brug	Specialkretsløb og produktionsdesigns, der kræver kontrollerede komponenter og layout	Prototyping og testede lav-til-moderat strømførende applikationer

LM2596 belastningstest og validering

Belastningstest bekræfter, om et LM2596 kredsløb eller modul kan opretholde 5 V kontinuerligt uden overdrevet ripple, spændingsfald eller overophedning. Følgende er en anbefalet valideringsmetode og bør ikke præsenteres som forfattermålte data, medmindre testen er afsluttet.

Påkrævet testudstyr

Brug et justerbart DC-strømforsyning, elektronisk belastning eller effektmodstande, digitale multimetre, et oscilloskop og termoelementer eller et termisk kamera. Registrer instrumentets nøjagtighed, omgivelsestemperatur, indgangsspænding, komponentværdier, regulatorpakke og køleforhold.

Mål spændingen direkte ved konverterterminalerne. Tynde testledninger kan introducere spændingsfald og producere misvisende resultater.

Inkrementel belastningstest

Indstil indgangen til 12 V og bekræft, at udgangen er cirka 5 V, før du tilslutter en tung belastning. Øg strømmen gradvist i stedet for at anvende 3 A med det samme.

Testfase	Foreslået belastning	Målinger
Indledende kontrol	Ingen belastning eller minimum sikker belastning	Vout og indstrøms
Let belastning	0,10–0,20 A	Vout, ripple og temperatur
Mellembelastning	0,50–1,00 A	Vin, Iin, Vout, Iout og effektivitet
Høj belastning	1,50–2,00 A	Spændingsregulering og komponenttemperaturer
Maksimal test	2,50–3,00 A, kun hvis sikkert	Ripple, effektivitet og termisk stabilitet
Transient test	Trin mellem let og høj belastning	Overshoot, undershoot og genopretningstid

Lad temperaturen stabilisere sig ved hvert stort belastningspunkt. Stop testen, hvis udgangen kollapser, regulatoren gentagne gange når strømgrænsen eller termisk nedlukning, eller hvilken som helst komponent nærmer sig sin klassificerede temperatur.

Målt casestudie og producentkarakterisering

Bentoutou et al. (2023) byggede en LM2596 prototype til at konvertere PEDAGO-SAT uddannelsesnanosatellitens fire-celle lithium-ion bus, cirka 16,8 V, til 12 V. Deres bænksystem brugte en DC-strømforsyning, elektronisk belastning, multimeter, oscilloskop og strømprobe. Papiret beskriver én prototype; replikeringsantallet blev ikke rapporteret. Tests dækkede cirka 0,7 A, 2,1 A og 3,0 A. Ved 2,099 A var indgangs- og udgangsspændingene 16,72 V og 11,93 V; målte indgangs- og udgangseffekter var 28,52 W og 25,04 W, hvilket giver 88% effektivitet. Spændings- og strømripple var 244 mV og 60 mA. Ved 3,0 A faldt effektiviteten til 85%. Instrumentnøjagtighed, omgivelsestemperatur, testvarighed og kvalifikation til rummet blev ikke rapporteret. Resultatet understøtter laboratoriekravet på 2,1 A, ikke en universel LM2596 kapabilitet.

LM2596 vs LMR51430 vs MP1584

Disse regulatorer kan levere op til 3 A, men de adskiller sig i indgangsområde, switchingmetode, pakkestørrelse, effektivitet og livscyklusstatus.

Specifikation	onsemi LM2596	TI LMR51430	MPS MP1584
Indgangsområde	4,5–40 V	4,5–36 V	4,5–28 V
Udgangsstrøm	Op til 3 A	3 A kontinuerligt	Op til 3 A
Topologi	Ikke-synkron buck	Synkron buck	Ikke-synkron buck
Switchingfrekvens	150 kHz fast	500 kHz eller 1,1 MHz faste muligheder	Programmable op til 1,5 MHz
Ekstern diode	Påkrævet	Ikke påkrævet; synkrone MOSFET'er er integreret	Påkrævet
Pakke	5-ben TO-220 eller D²PAK	6-ben SOT-23	Termisk forbedret SOIC-8E
Let-belastnings adfærd	Går ind i diskontinuerlig ledemodus ved let belastning	PFM-versioner forbedrer let-belastnings effektiviteten; FPWM-versioner opretholder konstant-frekvens drift	Reducerer switchingfrekvensen ved let belastning
Produktstatus	Aktiv; bekræft tilgængeligheden af den krævede output og pakke-suffiks	Aktiv	Anbefales ikke til nye designs; forbliver tilgængelig for eksisterende kunder
Bedste anvendelse	Designs der kræver op til 40 V input, en simpel 150 kHz konverter, eller en større hånd-svejset pakke	Kompakte nye designs der kræver højere switching frekvens, integreret synkron rektifikation, og bedre letlastmuligheder	Understøtter eksisterende kvalificerede designs; undgå at vælge det til nye produkter

Tekniske Referencer

• onsemi. LM2596: 3.0 A, Step-Down Switching Regulator. Rev. 1, Publikationsordrenr. LM2596/D, December 2022.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – LM2596 3 A Buck Demo Board Schematic. Rev. 1.0.

• onsemi. LM2596ADPBCKGEVB – LM2596 3 A Buck Demo Board Test Procedure. Rev. 1.0.

• onsemi. LM2596 Evaluations Board Materialeliste. LM2596ADBCKGEVB.

• onsemi. TO-220 5-Ben Offset Mekanisk Kapsel Oversigt, Kapsel 314B-05. Pakke Dimensioner.

• onsemi. D²PAK 5-Ben Mekanisk Kapsel Oversigt, Kapsel 936A-02. Pakke Dimensioner.

Ofte Stillede Spørgsmål [FAQ]

1. Kan LM2596 opretholde en 5 V output, hvis input-spændingen falder tæt på 5 V?

Ikke altid. En buck regulator kræver tilstrækkelig spændingsforskel mellem sin input og output. Da V_"IN" nærmer sig V_"OUT", når LM2596 sin maksimale duty cycle, og output kan falde under 5 V. Giv tilstrækkelig input-spændingsmargen for pålidelig regulering.

2. Kan LM2596 bruges direkte som en batterilader?

Ikke med den standard regulator kredsløb alene. Batteriopladning kræver normalt kontrolleret opladningsstrøm, spændingsgrænser, opladningsafslutning, og beskyttelser passende til batterikemien. LM2596 strømgrænse er en fejlsikring funktion, ikke en præcis opladningsstrøm kontrol. Brug en dedikeret batterioplader IC eller et korrekt designet konstant-strøm/kontant-spænding kredsløb.

3. Kan en LM2596 bruges direkte med en 24 V forsyning for at producere 5 V?

Ja. En 24 V forsyning er inden for LM2596 drift inputområde. Imidlertid kan det større step-down-forhold øge switching-tab og komponentbelastning. Diode, induktor, kondensatorer, PCB layout, og termisk design skal derfor vælges til den faktiske input-spænding og belastning.

4. Giver LM2596 beskyttelse mod omvendt input-polaritet?

Nej. Tilslutning af inputforsyningen med omvendt polaritet kan beskadige regulatoren og andre kredsløbskomponenter. Tilføj en serie diode eller en omvendt polaritet beskyttelse MOSFET, når forkert forsyningstilkobling er muligt.

5. Hvad sker der, hvis LM2596 induktoren mætter ved høj belastningsstrøm?

Induktor mætning reducerer den effektive induktans, hvilket får spidstrømmen og ripple til drastisk at stige. Dette kan producere overophedning, ustabil output, eller strømmgrænse drift. Vælg en induktor hvis mætning-strømsvurdering overstiger den beregnede spidse induktor strøm med en passende designmargin.

6. Giver LM2596 elektrisk isolation mellem sin input og output?

Nej. LM2596 er en ikke-isoleret buck regulator, så input og output deler en fælles jord. Applikationer der kræver galvanisk isolation skal bruge en isoleret DC–DC konverter topologi.

7. Kan flere LM2596 output forbindes parallelt for at opnå mere end 3 A?

De bør normalt ikke tilsluttes direkte parallelt. Små forskelle i outputspænding kan forårsage ulig deling af strøm, hvilket tillader en regulator at bære det meste af belastningen. Pålidelig parallel drift kræver yderligere strømdeling kredsløb eller regulatorer der er specifikt designet til det formål.