此电路由一个DC-DC开关稳压芯片(LM2596)和一个线性稳压芯片(AMS1117)组成,可以将7-40V的输入电压转换5V和3.3V的电压输出。此处只对前半部分开关稳压芯片做介绍,线性稳压芯片另一篇文章介绍。
1.BUCK降压电路
此DC-DC芯片降压稳压主要是基于BUCK电路。网上对BUCK电路介绍很多,此处只大致讲解。
BUCK基本电路形式: 三极管导通时: 电源经过三极管给电容C充电,给负载RL供电,同时电感L开始储能。 三极管关断时: 通过二极管构成回路,电容C和电感L为负载RL供电,但是电流在缓慢减小。 由上图可见,通过对三极管基极施加高低电平(PWM)可以控制三极管的导通与关断,从而达到降压的目的。
结论:Vo=Vi*D(Vo是输出电压,Vi是输入电压,D是三极管基极PWM的占空比) 因为D在0~1之间,因此输出电压一定小于输入电压。(具体推导过程可自行查找)
2.LM2596基本介绍
★LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器。 ★能够输出3A的驱动电流。 ★转换效率高,70%~90%。 ★固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压。
3.LM2596内部原理讲解
此芯片即是上面buck电路中三极管的部分,后面电容电感等需要外接。
开关及基准电压:ON/OFF引脚为低电平时开启此芯片,同时产生一个1.235V的参考电压,用于与反馈电压比较,实现稳压。
限流保护:当经过芯片的电流大于4.5A时,芯片自动关闭。
过热保护:当芯片温度过高时自动关闭。
三极管输出:可简单理解为BUCK电路中的开关三极管。
输出反馈:FEEDBACK脚接在电路的输出端,通过输出端的反馈电压与基准电压1.235V进行比较,从而检测输出电压是否偏离所需电压,进而对芯片进行相应的稳压控制。其中R1值固定2.5KΩ,R2值由芯片型号决定(不同输出电压,R2不同,对于电压可调的型号,需外接R1和R2)。例如图中所示,5V输出的芯片R2=7.6KΩ。因为Vref=Vo*R1/(R1+R2)。1.235≈5*2.5/(2.5+7.6)
假设(以5V输出为例):当Vo由于Vi的波动大于5V时,反馈检测电阻R1上的电压将大于1.235V,此电压Vr1与基准电压Vref通过误差放大器,将Vref-Vr1(为负数)的值放大(这样,即使微小的误差也会被检测到)。然后送入比较器与一锯齿波比较,比较器即对应输出高低电平控制后级的latch(如下图所示,占空比增大)。比较输出为1时latch输出低电平,比较输出为0时latch输出高电平,相当于对比较器输出取反(实际latch类似于一个SR触发器,比较器输出接到R输入,此不做详解)。那么三极管基极接收到的PWM占空比减小,由BUCK电路的结论可知,占空比减小,输出电压减小,从而使输出处于动态平衡,稳定在5V。
4.常用接法及元件选取
数据手册接法 最上面的原理图即按此接法略加修改,此为固定的5V电压输出。
二极管D:为了在三极管关断时,可以立刻使此二极管导通形成回路,需要选择反向恢复时间短的二极管,例如SS34(肖特基二极管)或ES2D(超快恢复二极管)。
电感L: 在要求不高的情况下,选择33uH的功率电感即可。
输入输出端电容C: 均由一个220uF的电解电容和一个100nF的陶瓷电容构成(最上面的原理图)。可滤除高频率和低频率的杂波,同时输出端还作为BUCK电路中的储能电容。 大小电容滤波的原理可看此篇博文:电容滤波
5.补充:输出可调电路
此为数据手册中给出的输出可调型号芯片的连接电路。相当于把输出固定型号芯片的检测电阻R1,R2从芯片中提出,可根据需要自行配置。同时,如果把R2换成可调电阻,即可通过改变其阻值实现输出电压的调节。同样满足Vref=Vo*R1/(R1+R2)。