Lm2596 стабилизатор тока и напряжения. Двухполярный блок питания из готовых китайских модулей dc-dc step down LM2596
Сегодня стали доступны готовые модули импульсных стабилизаторов напряжения на микросхеме LM2596.
Заявлены довольно высокие параметры, а стоимость готового модуля меньше стоимости входящих в него деталей. Прельщают малые размеры платы.
Я решил приобрести несколько штук и испытать их. Надеюсь, мой опыт будет полезен не слишком опытным радиолюбителям.
Я купил на ebay модули , как на фото выше. Хотя на сайте были показаны твердотельные конденсаторы на напряжение 50 В, аукцион оправдал своё имя. Конденсаторы обычные, а половина модулей с конденсаторами на напряжение 16 В.
... это трудно назвать стабилизатором...
Можно подумать, что достаточно взять трансформатор, диодный мост, подключить к ним модуль, и перед нами стабилизатор с выходным напряжением 3…30 В и током до 2 А (кратковременно до 3 А).Я так и сделал. Без нагрузки всё было хорошо. Трансформатор с двумя обмотками по 18 В и обещанным током до 1,5 А (провод на глаз был явно тонковат, так оно и оказалось).
Мне нужен был стабилизатор +-18 В и я выставил нужное напряжение.
При нагрузке 12 Ом ток 1,5 А, вот осциллограмма, 5 В /клетка по вертикали.
Это трудно назвать стабилизатором.
Причина проста и понятна: конденсатор на плате 200 мкФ, он служит только для нормальной работы DC-DC преобразователя. При подаче на вход напряжения от лабораторного блока питания, всё было нормально. Выход очевиден: надо питать стабилизатор от источника с малыми пульсациями, т. е. добавить после моста ёмкость.
Вот напряжение при нагрузке 1,5 А на входе модуля без дополнительного конденсатора.
С дополнительным конденсатором 4700 мкФ на входе, пульсации на выходе резко уменьшились, но при 1,5 А были ещё заметны. При уменьшении выходного напряжения до 16 В, идеальная прямая линия (2 В /клетка).
Падение напряжения на модуле DC-DC должно быть минимум 2…2,5 В.
Теперь можно смотреть пульсации на выходе импульсного преобразователя.
Видны небольшие пульсации с частотой 100 Гц промодулированные частотой несколько десятков кГц. Datasheet на 2596 рекомендует дополнительный LC фильтр на выходе. Так мы и сделаем. В качестве сердечника я использовал цилиндрический сердечник от неисправного БП компьютера и намотал обмотку в два слоя проводом 0,8 мм.
На плате красным цветом показано место для установки перемычки – общего провода двух каналов, стрелкой – место для припаивания общего провода, если не использовать клеммы.
Посмотрим, что стало с ВЧ-пульсациями.
Их больше нет. Остались небольшие пульсации с частотой 100 Гц.
Неидеально, но неплохо.
Замечу, что при увеличении выходного напряжения, дроссель в модуле начинает дребезжать и на выходе резко растёт ВЧ-помеха, стоит напряжение чуть уменьшить (всё это при нагрузке 12 Ом), помехи и шум полностью пропадают.
Для монтажа модуля я применил самодельные «стойки» из луженого провода диаметром 1 мм.
Это обеспечило удобный монтаж и охлаждение модулей. Стойки можно сильно нагревать при пайке, они не сместятся в отличие от простых штырей. Эта же конструкция удобна, если надо припаять к плате внешние провода – хорошая жесткость и контакт.
Плата позволяет легко заменить при необходимости модуль DC-DC.
Общий вид платы с дросселями от половинок какого-то ферритового сердечника (индуктивность не критична).
Итоговая схема включения:
Схема проста и очевидна.При длительной нагрузке током 1 А детали заметно нагреваются: диодный мост, микросхема, дроссель модуля, больше всего дроссель (дополнительные дроссели холодные). Нагрев на ощупь 50 градусов.
При работе от лабораторного блока питания, нагрев при токах 1,5 и 2 А терпимый в течение нескольких минут. Для длительной работы с большими токами желателен теплоотвод на микросхему и дроссель большего размера.
Несмотря на крошечные размеры модуля DC-DC, общие размеры платы получились соизмеримыми с платой аналогового стабилизатора.
Выводы:
1. Необходим трансформатор с сильноточной вторичной обмоткой или с запасом по напряжению, в этом случае ток нагрузки может превышать ток обмотки трансформатора.2. При токах порядка 2 А и более желателен небольшой теплоотвод на диодный мост и микросхему 2596.
3. Конденсатор питания желателен большой ёмкости, это благоприятно сказывается на работе стабилизатора. Даже крупная и качественная ёмкость немного нагревается, следовательно желательно малое ESR.
4. Для подавления пульсаций с частотой преобразования, LC фильтр на выходе необходим.
5. Данный стабилизатор имеет явное преимущество перед обычным компенсационным в том, что может работать в широком диапазоне выходных напряжений, при малых напряжениях можно получить на выходе ток больше, чем может обеспечить трансформатор.
6. Модули позволяют сделать блок питания с неплохими параметрами просто и быстро, обойдя подводные камни изготовления плат для импульсных устройств, то есть хороши для начинающих радиолюбителей.
Кто то может подумать: Старый конь борозды не испортит... А мы ответим: но и глубоко не вспашет.
Поэтому предлагаю вам обзор о понижающем преобразователе напряжения на основе микросхемы MP1584. Продавец позиционирует готовые платы как улучшенную альтернативу преобразователям на LM2596. В моем предыдущем обзоре я столкнулся с диким несоответствием заявленным параметрам. Реальные значения меня не удовлетворили и в конце обзора я упомянул что заказал на пробу более продвинутые платы.
Итак, встречаем:
Доставка и внешний вид:
Учитывая копеечную стоимость заказа я не удивился тому, что обнаружил пакет с пупырками в своем почтовом ящике. Внутри было 2 платы запаянные в антистатический пакет. Что было вполне ожидаемо. Фломастером я позже сам подписал, что бы параметры заявленные не забыть.
Размеры платы 22х17мм, высота 4мм.
Контактные площадки под пайку. Отверстий для монтажа не предусмотрено.
Следов флюса нет, пайка приемлемая. Смотрел через лупу, дефектов не нашел, я сам так спаять к сожалению не в состоянии. Под микросхемой и дросселем отверстия с металлизацией для лучшего отвода тепла.
Сравнение с LM2596:
Разница в размерах приличная. Правда из за размеров платы эффективность рассеивания тепла ниже, но и КПД заявлено до 96%
Документация и схема:
Документацию в электронном виде можно посмотреть тут
Используется практически типовой диод Шоттки 40В, 3А, который кстати на испытуемой плате держался молодцом.
Дроссель индуктивностью 8.2мкГн что согласно таблице 3 даташита указывает на лучшую эффективность работы преобразователя при выходном напряжении 3.3В и чуть хуже при 5В. Резистор R3 на плате 100кОм, согласно спецификации оптимально 1.8В выходное напряжение. В очередной раз убеждаюсь что все эти платы собирают из того что было под рукой, максимально удешевляют производство.
Схема типового включения:
Схема конкретной платы:
Обрыв подстроечного резистора выдаст на выходе максимальное напряжение на которое настроен делитель R1 R2. В данном случае до 20 Вольт. И это плохо.
Изначально думал что у купленной платы вместо электролитических конденсаторов на входе и выходе стоят керамические. Но на поверку оказалось что стоят электролиты 12-13 мкФ:
Так же вместо резистора R1 установлен подстроечный резистор для регулировки выходного напряжения. К слову очень ненадежный, тяжело выставлять точное напряжение. При малейшей механической нагрузке напряжение может «уплыть». Решается эта проблема несколькими вариантами: капелька лака для ногтей или краска типа эмали для фиксации контактных площадок подстроечного резистора
или замена «подстроечника» на постоянный резистор.
В частном случае можно поступить так - настроить подстроечный резистор на нужное напряжение, выпаять его и поставить эквивалентное постоянное сопротивление.
Интересный момент, управляя входом микросхемы 2(EN) с помощью логического уровня можно переводить микросхему в режим стоп-старт, т.е. можно извне управлять работой микросхемы и соответственно включать или обесточивать нагрузку.
Немаловажный факт, частота преобразования: Задается резистором подключенным к выводу 6 микросхемы и в типовом варианте имеет сопротивление 200кОм, но на плате установлен 100кОм. Формула задания частоты преобразования:
Просил на работе проверить частоту преобразования - сказали около 950 КГц. Обилие резисторов 104, унификация, что поделать. Частота соответствует установленному сопротивлению.
КПД:
Продавец заявляет КПД до 96% и опять обман. Максимальное КПД которое можно выжать не более 88% При чем оно максимально при питающем напряжении около 12 Вольт и диапазоне нагрузки 0.5-2 Ампера.
Испытания:
Для начала замер потребляемого тока на холостом ходу 0.22мА. Неплохо.
В качестве нагрузки применил 2 резистора 3.3 и 2.2 Ом. В виду сильного нагрева последние на время тестирования были помещены в емкость с водой.
На данный момент тепловизор недоступен, отдали в прокат на другой объект, поэтому замер температуры был произведен пирометром достаточно популярным.
Точность в пределах пары градусов.
Пробное включение производится без нагрузки для выставления нужного выходного напряжения, что бы избежать выхода из строя платы или нагрузки.
Даем нагрузку и оставляем в работе:
Через пару минут я услышал
работу преобразователя. Ну как услышал - магнитола подключенная к тому же блоку питания начала шипеть, появились помехи. Контроль напряжения начал показывать периодические просадки выходного напряжения на 10-15% Сработала термозащита микросхемы и преобразователь периодически начал пропускать такты. Знатоки компьютеров используют термит «троттлинг»
Думая что большее входное напряжение должно облегчить работу преобразователя без перерыва подключил преобразователь к блоку питания 24 Вольт. Первое включение - щелчок и в микросхеме появилась дырка (позже начав изучать документацию я понял что КПД немного упало и я просто добил микросхему, которой и так было тяжело от перегрева).
Волшебного дыма не было. К чести преобразователя на выходе напряжение отсутствовало.
Что бы не спалить вторую и последнюю плату было решено использовать радиатор и установить его с помощью термогерметика на обратную сторону платы.
Термогерметик star 922 многим знаком. Я его использую для фиксации светодиодов. Не самый лучший конечно, но хоть что то.
Радиатор:
С обратной стороны что бы радиатор не замыкал контакты на плате сточил часть напильником. Для визуального восприятия закрасил маркером:
Вот так выглядит плата с радиатором (отпилен от большого что используется в блоках питания АТХ)
Замеры температуры были сведены в мини таблицу:
Для испытаний выбрал наиболее распространенные в цифровой логике напряжения 5В и 3.3В. Входное напряжение со стенда, с учетом падения на проводах 11,5-11,7Вольта. Резисторы обычные 5%. Ток округлил до десятых, поскольку заострил внимание на температуре: t1 - максимальная температура на плате со стороны деталей. t2 - максимальная температура с обратной стороны платы.
Каждый раз дав плате поработать около 10 минут производил замер температуры. Замер производился многократно по всей поверхности платы на расстоянии 1 см, учитывалось только максимальное значение. В 100% случаем самый горячий элемент на плате являлся микросхемой.
При нагрузке 2.2Ом при выходном напряжении 5В замеры без радиатора не проводились, поскольку на первом экземпляре преобразователя взорвалась микросхема.
Замечен факт повышения напряжения на выходе под нагрузкой при заданном 3.3В(без нагрузки) до 3.45В. При испытаниях на выходе 5В такого не наблюдалось.
К сожалению осциллограф не доступен и посмотреть сигнал на выходе нет возможности, но этот недостаток будет устранен в ближайшее время. Поскольку я таки задавил свою жабу и заказал кит осциллограф DSO062 .
Рекомендации при использовании:
При токе нагрузки выше 1А желательно установить небольшой радиатор, можно в половину того что использовал я. Вполне достаточно. Фиксация подстроечного резистора лаком. При использовании совместно с приемником УКВ применить для фильтрации помех по питанию дополнительные керамические конденсаторы.
Выводы:
Плюсы:
Компактность. Если не «выдавливать» по максимуму из преобразователя, то вполне работоспособно. Достаточно высокий КПД и большой диапазон напряжений. Включением преобразователя можно управлять извне (необходима мелкая переделка платы - подпаять проводник). При выходе из строя микросхемы на выходе преобразователя входного напряжения не обнаружено (возможно это частный случай).
Минусы:
Не понравилась маркировка питания только с обратной стороны, Продавец плату перехвалил, она так же не выдерживает заявленных характеристик. Необходима незначительная доработка для эффективной работы. Кроме того имеются помехи в УКВ ФМ диапазоне (на магнитоле слышно шум и свист, особенно при граничных режимах работы). Подстроечный резистор оставляет желать лучшего, оптимально заменить на многооборотный или постоянный резистор (при необходимости одного фиксированного напряжения на выходе).
UPD:
буду дальше выбирать преобразователи, какой посоветуете: KIS-3R33S, XM1584, MP2307 еще варианты, требования выход 5В и ток 3А без значительных переделок?
Ваши замечания по обзору будут своевременно устранены и помогут мне в дальнейшем.
Лабораторный блок питания на базе импульсного стабилизатора LM2576T-ADJ с регулировкой выходного напряжения 0-30В и тока 0-3А , с функцией ограничения выходного тока и индикацией режима ограничения при помощи светодиода.
Все мы очень давно знакомы с линейными стабилизаторами напряжения, особенно с трёхвыводными в корпусах TO-220 типа 7805, 7812, 7824 и LM317. Они недорогие и легко доступны. Их малошумящая и быстрая переходная характеристика делают их идеальными для многих применений. Но им присущ один недостаток - неэффективность (очень низкий КПД). Например, при подаче на стабилизатор 7805 напряжения 12В и при токе нагрузки 1А, на стабилизаторе будет рассеиваться мощность 7Вт при мощности нагрузки 5Вт. Поэтому требуется большой радиатор для охлаждения самого стабилизатора. Когда важна эффективность, например при работе от батареи, необходимо выбирать импульсный стабилизатор. Фактически, самое современное оборудование использует импульсные источники питания и импульсные регуляторы или стабилизаторы. Но много радиолюбители уклоняются от импульсных регуляторов, поскольку, например, использование популярной LM3524 требует большого количества внешних деталей и внешнего коммутационного транзистора. Кроме того строгие требования для катушки индуктивности. Как выбрать правильно, и где их взять? К счастью, более новый импульсный регулятор типа LM2576 от National Semiconductor"s позволяет собирать импульсный стабилизатор с высоким КПД так же легко, как и с помощью 7805 и т.п. Микросхема выпускается в пятивыводном привычном корпусе типа TO-220 и корпусе ТО-263 для поверхностного монтажа. Диапазон питающих напряжений 7-40В постоянного тока. КПД - до 80%. Выходной ток - до 3А и на несколько напряжений (3.3V, 5 V, 12V, 15V), а также и в версии регулируемого выходного напряжения, что представляет для нас особенный интерес. При проектировании с использованием импульсного стабилизатора получается малый размер платы, кроме того необходим радиатор с малой площадью поверхности, обычно не более 100 см. кв. Частота преобразования стабилизатора 52 кГц. Есть серия высоковольтных стабилизаторов с маркировкой HV с диапазоном входных напряжений 7-60В и возможностью регулировки выходного напряжения до 55В.
Приведенная на рисунка схема лабораторного блока питания на базе импульсного стабилизатора LM2576T-ADJ с регулировкой выходного напряжения в диапазоне 0-30В и возможностью ограничения тока нагрузки в диапазоне 0-3А найдена в сети Интернет и подробно рассмотрена на форуме сайта http://vrtp.ru. Кстати, замечательный сайт, рекомендую к посещению:) Свечение светодиода указывает на включение режима ограничения выходного тока, что очень удобно при проверке и ремонте радиоэлектроных устройств.
Чтобы облегчить режим работы стабилизатора 7805 (в корпусе ТО-92) и для повышения верхнего предела напряжения Uвх, последовательно с U2 установлен стабилитрон VD1. Схема регулирования тока и напряжения собрана на сдвоенном компараторе LM393. На первой половинке U3.1 собран регулятор напряжения, а на второй половинке U3.2 собран регулятор тока. На транзисторном ключе Q1 собран узел индикации включения режима ограничения выходного тока. Номинальный ток дросселя необходимо выбирать не менее тока нагрузки. Возможно пиатние слаботочной части схемы от отдельного источника напряжения с подачей его непосредственно на вход U2, при этом стабилитрон VD1 не устанавливается. Хорошо работает с низкоомной нагрузкой. Без изменения схемы, в ней можно применять импульсные стабилизаторы LM2596T-ADJ с частотой преобразования 150 кГц и диапазоном питающих напряжений 4,5-40В. Выходной ток - до 3А. КПД - до 90%.
Размеры печатной платыы блока питания 72х52 мм, расстояние между осями переменных резисторов 30 мм.:
Видео работы стабилизатора (без слов) приведено ниже. Поскольку сборка и проверка устройства велась в г. Донецке в то время, когда за окном рвались снаряды, то не было никакой охоты ничего рассказывать. Да и собирать его не хотелось, но нужно было как-то отвлечься от действительности. Надеюсь Вы меня поймёте.
Стоимость печатной платы с маской и маркировкой: закончились:)
Стоимость набора деталей с печатной платой для сборки блока питания (без радиатора): временно нет в наличии:(
Стоимость собранной и проверенной платы блока питания (без радиатора): временно нет в наличии:(
Краткое описание, схема и перечень компонентов набора
Для покупки печатных плат, наборов для сборки и готовых собранных блоков обращайтесь или
Всем удачи, мирного неба, добра, 73!
LM2596 — это импульсный понижающий регулируемый стабилизатор постоянного напряжения. Имеет высокий КПД. Меньше нагревается если сравнивать с модулями на линейных стабилизаторах. Источник питания может применяться в широком спектре устройств. К безусловным достоинствам относится работа в ощутимом диапазоне входного напряжения. Вместе с большим КПД это дает хорошие результаты при последовательном включении DC-DC LM2596 с химическими источниками тока, солнечными панелями или ветряными генераторами.
Дополнив преобразователь DC-DC LM2596 трансформатором, выпрямителем и фильтром получим блок питания. На входе стабилизатора напряжение должно быть большее выходного минимум на 1.5 В. При потреблении мощности от DC-DC LM2596 более десяти Вт следует применять средства охлаждения.
Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.
Технические характеристики преобразователя LM2596
- Эффективность преобразования (КПД) : до 92%
- Частота переключения : 150 кГц
- Рабочая температура : от -40 до + 85 °C
- Влияние изменения входного напряжения на уровень выхода : ± 0.5%
- Поддержание установленного напряжения с точностью : ± 2.5%
- Входное напряжение : 3-40 В
- Выходное напряжение : 1.5-35 В (регулируемое)
- Выходной ток : номинальный до 1А, от 1 до 2А заметно возрастает нагрев, предельный 3A (требуется дополнительный радиатор)
- Размер : 45x20x14 мм
Принципиальная схема преобразователя LM2596
В некоторых модулях защитный диод D1 включен обратно-параллельно на входе, но в таком случае не нужно забывать подсоединить и предохранитель на входе, который сгорит, если перепутать полярность, также этот диод защищает от всплесков напряжения на выходе.
Существуют варианты с прямым включением диода D1 (SS34, SS54) на входе, обычно это диоды Шоттки, у этих диодов есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0.2-0.4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.
Но дешёвые модули на базе LM2596 не имеют защитного диода, с одной стороны — это минус, так как случайно можно убить преобразователь перепутав полярность на входе, а с другой стороны — это плюс, потому что на диоде будет падать некоторое напряжение и греться при больших токах.
Подключается преобразователь очень просто, не стабилизированное напряжение подается на контакты модуля +IN, –IN (плюс и минус соответственно), а выходное напряжение снимается с контактов платы +OUT, -OUT.
С обратной стороны есть стрелка, что указывает в какую сторону идёт преобразование.
Фото галерея
LM2596 понижает входное (до 40 В) напряжение - выходное регулируется, ток 3 А. Идеален для светодиодов в машине. Очень дешёвые модули - около 40 рублей в Китае.
Компания Texas Instruments выпускает качественные, надежные, доступные и дешёвые, удобные в применении DC-DC контроллеры LM2596. Китайские заводы выпускают на её основе сверхдешёвые импульсные понижающие (stepdown) конвертеры: цена модуля на LM2596 примерно 35 рублей (вместе с доставкой). Я советую купить сразу партию в 10 штук - для них всегда найдётся применение, при этом цена опустится до 32 рублей, и меньше 30 рублей при заказе 50 штук. Подробнее о расчёте обвязки микросхемы, регулировке тока и напряжения, его применении и о некоторых минусах конвертера.
Типичный метод использования - стабилизированный источник напряжения. На основе этого стабилизатора легко сделать импульсный блок питания, я применяю её как простой и надёжный лабораторный блок питания, выдерживающий короткое замыкание. Они привлекательны постоянством качества (похоже, все они делаются на одном заводе - да и сложно сделать ошибки в пяти деталях), и полным соответствием даташиту и заявленным характеристикам.
Другая область применения - импульсный стабилизатор тока для питания мощных светодиодов . Модуль на этой микросхеме позволит вам подключить автомобильную светодиодную матрицу на 10 Ватт, дополнительно обеспечив защиту от КЗ.
Крайне рекомендую купить их десяток штук - обязательно пригодятся. Они по–своему уникальны - входное напряжение вплоть до 40 вольт, и требуется лишь 5 внешних компонентов. Это удобно - можно поднять напряжение на шине электропитания умного дома до 36 вольт, уменьшив сечение кабелей. В точках потребления ставим такой модуль и настраиваем его на нужные 12, 9, 5 вольт или сколько понадобится.
Рассмотрим их подробнее.
Характеристики микросхемы:
- Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
- Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
- Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
- Частота преобразования - 150кГц
- Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
- КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких
- Источник стабилизированного напряжения
- Схема преобразователя
- Даташит
- USB-зарядник на основе LM2596
- Стабилизатор тока
- Применение в самодельных устройствах
- Регулировка выходного тока и напряжения
- Улучшенные аналоги LM2596
История - линейные стабилизаторы
Для начала, объясню чем плохи стандартные линейные преобразователи напряжения вроде LM78XX (например 7805) или LM317. Вот его упрощённая схема.
Главный элемент такого преобразователя - мощный биполярный транзистор, включенный в своём «исконном» значении - как управляемый резистор. Этот транзистор входит в состав пары Дарлингтона (для увеличения коэффициента передачи по току и снижения мощности, необходимой на работу схемы). Базовый ток задаётся операционным усилителем, который усиливает разность между выходным напряжением и заданным с помощью ИОН (источник опорного напряжения), т.е. он включен по классической схеме усилителя ошибки.
Таким образом, преобразователь просто включает резистор последовательно с нагрузкой, и управляет его сопротивлением чтобы на нагрузке гасилось, к примеру, ровно 5 вольт. Нетрудно посчитать что при понижении напряжения с 12 вольт до 5 (очень частый случай применения микросхемы 7805) входные 12 вольт распределяются между стабилизатором и нагрузкой в отношении «7 вольт на стабилизаторе + 5 вольт на нагрузке». На токе в полампера на нагрузке выделяется 2.5 ватта, а на 7805 - целых 3.5 ватта.
Получается что «лишние» 7 вольт просто гасятся на стабилизаторе, превращаясь в тепло. Во-первых, из-за этого возникают проблемы с охлаждением, а во-вторых на это уходит много энергии из источника питания. При питании от розетки это не очень страшно (хотя всё равно наносится вред экологии), а при батарейном или аккумуляторном питании об этом нельзя не помнить.
Другая проблема - таким методом вообще невозможно сделать повышающий преобразователь. Часто такая потребность возникает, и попытки решить этот вопрос двадцать-тридцать лет назад поражают - насколько сложен был синтез и расчёт таких схем. Одна из простейших схем такого рода - двухтактный преобразователь 5В->15В.
Нужно признать, что он обеспечивает гальваническую развязку, однако он неэффективно использует трансформатор - каждый момент времени задействована лишь половина первичной обмотки.
Забудем это как страшный сон и перейдём к современной схемотехнике.
Источник напряжения
Схема
Микросхема удобна в применении в качестве step–down конвертера: мощный биполярный ключ находится внутри, осталось добавить остальные компоненты регулятора - быстрый диод, индуктивность и выходной конденсатор, также возможно поставить входной конденсатор - всего 5 деталей.
В версии LM2596ADJ также потребуется схема задания выходного напряжения, это два резистора или один переменный резистор.
Схема понижающего преобразователя напряжения на основе LM2596:
Вся схема вместе:
Здесь можно скачать даташит/datasheet на LM2596 .
Принцип работы: управляемый ШИМ–сигналом мощный ключ внутри устройства посылает импульсы напряжения на индуктивность. В точке А x% времени присутствует полное напряжение, и (1–x)% времени напряжение равно нулю. LC–фильтр сглаживает эти колебания, выделяя постоянную составляющую, равную x * напряжение питания. Диод замыкает цепь, когда транзистор выключен.
Подробное описание работы
Индуктивность противится изменению тока через неё. При появлении напряжения в точке А дроссель создаёт большое отрицательное напряжение самоиндукции, и напряжение на нагрузке становится равно разности напряжения питания и напряжения самоиндукции. Ток индуктивности и напряжение на нагрузке постепенно растут.
После пропадания напряжения в точке А дроссель стремится сохранить прежний ток, текущий из нагрузки и конденсатора, и замыкает его через диод на землю - он постепенно падает. Таким образом, напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения и зависит от скважности импульсов.
Выходное напряжение
Модуль выпускается в четырёх версиях: с напряжением 3.3В (индекс –3.3), 5В (индекс –5.0), 12В (индекс –12) и регулируемая версия LM2596ADJ. Имеет смысл везде применять именно настраиваемую версию, поскольку она в большом количестве есть на складах электронных компаний и вы вряд ли столкнётесь с её дефицитом - а она требует дополнительно лишь два копеечных резистора. Ну и конечно, версия на 5 вольт тоже пользуется популярностью.
Количество на складе - в последнем столбце.
Можно сделать задание выходного напряжения в виде DIP-переключателя, хороший пример этого приведён здесь, либо в виде поворотного переключателя. В обоих случаях потребуется батарея точных резисторов - зато можно настраивать напряжение без вольтметра.
Корпус
Существует два варианта корпусов: корпус для планарного монтажа TO–263 (модель LM2596S) и корпус для монтажа в отверстия TO–220 (модель LM2596T). Я предпочитаю применять планарную версию LM2596S, поскольку в этом случае радиатором является сама плата, и отпадает необходимость покупать дополнительный внешний радиатор. К тому же её механическая стойкость гораздо выше, в отличие от TO-220, которую обязательно надо к чему–то привинчивать, хотя бы даже к плате - но тогда проще установить планарную версию. Микросхему LM2596T-ADJ я рекомендую использовать в блоках питания, потому что с её корпуса легче отвести большое количество тепла.
Сглаживание пульсаций входного напряжения
Можно использовать как эффективный «интеллектуальный» стабилизатор после выпрямления тока. Поскольку микросхема следит непосредственно за величиной выходного напряжения, колебания входного напряжения вызовут обратно пропорциональное изменение коэффициента преобразования микросхемы, и выходное напряжение останется в норме.
Из этого следует, что при использовании LM2596 в качестве понижающего преобразователя после трансформатора и выпрямителя, входной конденсатор (т.е. тот который стоит сразу после диодного моста) может иметь небольшую ёмкость (порядка 50-100мкФ).
Выходной конденсатор
Благодаря высокой частоте преобразования выходной конденсатор тоже не обязан иметь большую ёмкость. Даже мощный потребитель не успеет значительно посадить этот конденсатор за один цикл. Проведём расчёт: возьмём конденсатор в 100мкФ, 5В выходного напряжения и нагрузку, потребляющую 3 ампера. Полный заряд конденсатора q = C*U = 100e-6 мкФ * 5 В = 500e-6 мкКл.
За один цикл преобразования нагрузка заберёт из конденсатора dq = I*t = 3 А * 6.7 мкс = 20 мкКл (это всего 4% от полного заряда конденсатора), и тут же начнётся новый цикл, и преобразователь засунет в конденсатор новую порцию энергии.
Самое главное - не используйте в качестве входного и выходного конденсатора танталовые конденсаторы. У них прямо в даташитах пишут - «не использовать в цепях питания», потому что они очень плохо переносят даже кратковременные превышения напряжения, и не любят высокие импульсные токи. Используйте обычные алюминиевые электролитические конденсаторы.
Эффективность, КПД и тепловые потери
КПД не так высок, поскольку в качестве мощного ключа используется биполярный транзистор - а он имеет ненулевое падение напряжения, порядка 1.2В. Отсюда и падение эффективности при маленьких напряжениях.
Как видим, максимальная эффективность достигается при разности входного и выходного напряжений порядка 12 вольт. То есть, если нужно уменьшить напряжение на 12 вольт - в тепло уйдёт минимальное количество энергии.
Что такое эффективность преобразователя? Это величина, характеризующая токовые потери - на выделение тепла на полностью открытом мощном ключе по закону Джоуля-Ленца и на аналогичные потери при переходных процессах - когда ключ открыт, допустим, лишь наполовину. Эффекты от обоих механизмов могут быть сравнимы по величине, поэтому не нужно забывать про оба пути потерь. Небольшая мощность идёт также на питание самих «мозгов» преобразователя.
В идеальном случае, при преобразовании напряжения с U1 до U2 и выходном токе I2 выходная мощность равна P2 = U2*I2, входная мощность равна ей (идельный случай). Значит, входной ток составит I1 = U2/U1*I2.
В нашем же случае преобразование имеет эффективность ниже единицы, поэтому часть энергии останется внутри прибора. Например, при эффективности η выходная мощность составит P_out = η*P_in, а потери P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Конечно, преобразователь вынужден будет увеличить входной ток, чтобы поддерживать заданные выходные ток и напряжение.
Можно считать, что при преобразовании 12В -> 5В и выходном токе 1А потери в микросхеме составят 1.3 ватта, а входной ток будет равен 0.52А. В любом случае это лучше любого линейного преобразователя, который даст минимум 7 ватт потерь, и потребит из входной сети (в том числе на это бесполезное дело) 1 ампер - в два раза больше.
Кстати, микросхема LM2577 имеет в три раза меньшую частоту работы, и её эффективность несколько выше, поскольку меньше потерь в переходных процессах. Однако, ей нужны в три раза более высокие номиналы дросселя и выходного конденсатора, а это лишние деньги и размер платы.
Увеличение выходного тока
Несмотря на и так довольно большой выходной ток микросхемы, иногда требуется ещё бОльший ток. Как выйти из этой ситуации?
- Можно запараллелить несколько преобразователей. Конечно, они должны быть настроены точно на одно и то же выходное напряжение. В таком случае нельзя обойтись простыми SMD-резисторами в цепи задания напряжения Feedback, нужно использовать либо резисторы с точностью 1%, либо вручную задавать напряжение переменным резистором.
USB-зарядник на LM2596
Можно сделать очень удобный походный USB-зарядник. Для этого необходимо настроить регулятор на напряжение 5В, снабдить его USB-портом и обеспечить питание зарядника. Я использую купленный в Китае радиомодельный литий-полимерный аккумулятор, обеспечивающий 5 ампер-часов при напряжении 11.1 вольта. Это очень много - достаточно для того чтобы 8 раз зарядить обычный смартфон (не учитывая КПД). С учётом КПД получится не меньше 6 раз.
Не забудьте замкнуть контакты D+ и D- гнезда USB, чтобы сообщить телефону что он подключен к заряднику, и передаваемый ток неограничен. Без этого мероприятия телефон будет думать, что он подключен к компьютеру, и будет заряжаться током в 500мА - очень долго. Более того, такой ток может даже не скомпенсировать ток потребления телефона, и аккумулятор вовсе не будет заряжаться.
Также можно предусмотреть отдельный вход 12В от автомобильного аккумулятора с разъёмом прикуривателя - и переключать источники каким-либо переключателем. Советую установить светодиод, который будет сигнализировать что устройство включено, чтобы не забыть выключить батарею после полной зарядки - иначе потери в преобразователе полностью посадят резервную батарею за несколько дней.
Такой аккумулятор не слишком подходит, потому что он рассчитан на высокие токи - можно попробовать найти менее сильноточную батарею, и она будет иметь меньшие размеры и вес.
Стабилизатор тока
Регулировка выходного тока
Возможна только в версии с настраиваемым выходным напряжением (LM2596ADJ). Кстати, китайцы делают и такую версию платы, с регулировкой напряжения, тока и всевозможной индикацией - готовый модуль стабилизатора тока на LM2596 с защитой от КЗ, можно купить под названием xw026fr4.
Если вы не хотите применять готовый модуль, и желаете сделать эту схему самостоятельно - ничего сложного, за одним исключением: у микросхемы нет возможности управления током, однако её можно добавить. Я объясню, как это сделать, и попутно разъясню сложные моменты.
Применение
Стабилизатор тока - штука, нужная для питания мощных светодиодов (кстати - мой проект микроконтроллерного драйвера мощного светодиода ), лазерных диодов, гальваники, заряда аккумуляторов. Как и в случае со стабилизаторами напряжения, есть два типа таких устройств - линейный и импульсный.
Классический линейный стабилизатор тока - это LM317, и он вполне хорош в своём классе - но его предельный ток 1.5А, для многих мощных светодиодов этого недостаточно. Даже если умощнить этот стабилизатор внешним транзистором - потери на нём просто неприемлемы. Весь мир катит бочку на энергопотребление лампочек дежурного питания, а тут LM317 работает с КПД 30% Это не наш метод.
А вот наша микросхема - удобный драйвер импульсного преобразователя напряжения, имеющий много режимов работы. Потери минимальны, поскольку не применяется никаких линейных режимов работы транзисторов, только ключевые.
Изначально она предназначалась для схем стабилизации напряжения, однако несколько элементов превращают её в стабилизатор тока. Дело в том, что микросхема всецело полагается на сигнал «Feedback» в качестве обратной связи, а вот что на него подавать - это уже наше дело.
В стандартной схеме включения на эту ногу подаётся напряжение с резистивного делителя выходного напряжения. 1.2В - это равновесие, если Feedback меньше - драйвер увеличивает скважность импульсов, если больше - уменьшает. Но ведь можно на этот вход подать напряжение с токового шунта!
Шунт
Например, на токе 3А нужно взять шунт номиналом не более 0.1Ом. На таком сопротивлении этот ток выделит около 1Вт, так что и это много. Лучше запараллелить три таких шунта, получив сопротивление 0.033Ом, падение напряжения 0.1В и выделение тепла 0.3Вт.
Однако, вход Feedback требует напряжение 1.2В - а мы имеем лишь 0.1В. Ставить бОльшее сопротивление нерационально (тепла будет выделяться в 150 раз больше), поэтому остаётся как-то увеличить это напряжение. Делается это с помощью операционного усилителя.
Неинвертирующий усилитель на ОУ
Классическая схема, что может быть проще?
Объединяем
Теперь объединяем обычную схему преобразователя напряжения и усилитель на ОУ LM358, к входу которого подключаем токовый шунт.
Мощный резистор 0.033 Ом - это и есть шунт. Его можно сделать из трёх резисторов 0.1 Ом, соединённых параллельно, а для увеличения допустимой рассеиваемой мощности - используйте SMD-резисторы в корпусе 1206, поставьте их с небольшим промежутком (не вплотную) и постарайтесь максимально оставить слой меди вокруг резисторов и под ними. На выход Feedback подключен небольшой конденсатор, чтобы устранить возможный переход в режим генератора.
Регулируем и ток и напряжение
Давайте заведём на вход Feedback оба сигнала - и ток, и напряжение. Для объединения этих сигналов воспользуемся обычной схемой монтажного «И» на диодах. Если сигнал тока выше сигнала напряжения - он будет доминировать и наоборот.
Пару слов о применимости схемы
Вы не можете регулировать выходное напряжение. Хотя невозможно регулировать одновременно и выходной ток, и напряжение - они пропорциональны друг другу, с коэффициентом «сопротивление нагрузки». А если блок питания реализует сценарий вроде «постоянное выходное напряжение, но при превышении тока начинаем уменьшать напряжение», т.е. CC/CV - то это уже зарядное устройство.
Максимальное напряжение питания схемы - 30В, поскольку это предел для LM358. Можно расширить этот предел до 40В (или 60В с версией LM2596-HV), если питать ОУ от стабилитрона.
В последнем варианте в качестве суммирующих диодов необходимо использовать диодную сборку, поскольку в ней оба диода сделаны в рамках одного технологического процесса и на одной пластине кремния. Разброс их параметров будет гораздо меньше разброса параметров отдельных дискретных диодов - благодаря этому мы получим высокую точность отслеживания значений.
Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к 2 выводу LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод SS36 и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам - необходимо обеспечить минимальную длину пути возвратного тока «LM2596 -> VD/C -> LM2596″.
Применение LM2596 в устройствах и самостоятельная разводка платы
О применении микросхемы в своих устройствах не в виде готового модуля я подробно рассказал в другой статье , в которой рассмотрены: выбор диода, конденсаторов, параметров дросселя, а также рассказал про правильную разводку и несколько дополнительных хитростей.
Возможности дальнейшего развития
Улучшенные аналоги LM2596
Проще всего после этой микросхемы перейти на LM2678 . По сути - это тот же самый stepdown преобразователь, только с полевым транзистором, благодаря которому КПД поднимается до 92%. Правда, у него 7 ног вместо 5, и он не pin-to-pin совместимый. Тем не менее эта микросхема очень похожа, и будет простым и удобным вариантом с улучшенной эффективностью.
L5973D – довольно старая микросхема, обеспечивающая до 2.5А, и немного более высокий КПД. Также у неё почти в два раза выше частота преобразования (250 кГц) - следовательно, требуются меньшие номиналы индуктивности и конденсатора. Однако, я видел что с ней происходит, если поставить её напрямую в автомобильную сеть - довольно часто выбивает помехами.
ST1S10 - высокоэффективный (КПД 90%) DC–DC stepdown преобразователь.
- Требует 5–6 внешних компонентов;
ST1S14 - высоковольтный (до 48 вольт) контроллер. Большая частота работы (850 кГц), выходной ток до 4А, выход Power Good, высокий КПД (не хуже 85%) и схема защиты от превышения тока нагрузки делают его, наверное, лучшим преобразователем для питания сервера от 36–вольтового источника.
Если требуется максимальный КПД - придётся обращаться к неинтегрированным stepdown DC–DC контроллерам. Проблема интегрированных контроллеров в том, что в них никогда не бывает классных силовых транзисторов - типичное сопротивление канала не выше 200мОм. Однако если взять контроллер без встроенного транзистора - можно выбрать любой транзистор, хоть AUIRFS8409–7P с сопротивлением канала в пол–миллиома
DC-DC преобразователи с внешним транзистором
Следующая часть