基于LM2596开关电源设计5424267.docx
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基于LM2596开关电源设计5424267
基于LM2596开关电源设计5424267
毕业论文(设计)
题目:
基于LM2596可调开关电源的设计与制作
(Title):
BasedontheLM2596adjustableswitchingpowersupplydesignandmanufacture
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3)其它
基于LM2596可调开关电源的设计与制作
摘要
近年来,随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)快速发展、PWM技术以及电源理论深入发掘,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。
并且现代电子技术的发展高速化,电子系统的应用领域越广泛化,电子设备的种类多样化,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
电子设备的低功耗需求越来越来强烈。
开关电源中的功率调整管工作在开关状态,具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点,在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
本论文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路,分析和阐述了降压型转换器的电路拓扑和工作原理,根据系统性能设计了电路,该电源具有1.5V-37V的电源电压输入范围,输出电压在1.25V-35V之间连续可调,经功率计测量、计算得电源转换效率达到85%以上,各项指标均达到了设计要求。
电源整体电路满足小封装要求,可应用在MCU、DSP以及USB电源等便携式电子产品中
关键词:
直流稳压电源;整流;滤波;LM2596
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,theapplicationfieldofelectronicsystemismoreandmorewidely,thekindsofelectronicequipmentmoreandmore,therelationshipbetweenelectronicequipmentandpeople'sworkandlifeisbecomingmoreandmoreclosely.Inrecentyears,withthepowerelectronicdevices(suchasIGBT,MOSFET),PWMtechnologydevelopmentandpowertheory,anewgenerationofpowersupplybegantograduallyreplacethetraditionalpowersupplycircuit.Switchpowersupplyofpoweradjustingpipeworkontheswitchstate,withlowconsumption,highefficiency,widevoltagerange,lowtemperature,smallsizeandotheroutstandingadvantages,incommunicationsequipment,numericalcontrolequipment,instrumentation,audio,homeappliances,andotherwidelyusedinelectroniccircuits.
Switchingpowersupplyistheuseofmodernpowerelectronictechnology,controlswitchtransistoropenedandshutofftimeratio,tomaintainstableoutputvoltageofapowersupply.Withthedevelopmentofpowerelectronictechnologyandinnovationtomakeswitchingpowersupplytechnologyinconstantinnovation,thecostofreversalpointsincreasinglymovetolowoutputpowerend,fortheswitchingpowersupplyprovidesabroadspacefordevelopment.
Thispaperdesignedastep-downDC/DCswitchingpowersupplycircuit,typeanalysisandexpoundsthestep-downconvertercircuittopologyandtheworkingprinciple,accordingtotheperformanceofthesystemdesignofthecircuit,thepowersupplyis1.5V-40Vinputvoltagerange,outputvoltageadjustablebetween1.25V-35V,thepowermetermeasuring,computingpowerconversionefficiencyof85%ormore,theindicatorshavereachedthedesignrequirements.Overallpowersupplycircuitmeettherequirementofsmallpackage,andcanbeusedinportableelectronicproductssuchasMCU,DSPandUSBpowersupply.
Designrequirementsforthemaximumoutputvoltageof37V,sothedesignwillleadtoagridrectifierfiltercircuitdropthroughthelm317intoLM2596inputvoltage.
keywords:
Dcregulatedpowersupply;Rectification;Filtering;LM2596
1引言1
2设计方案比较论证2
2.1线性电源2
2.2开关电源2
3系统原理及各单元模块4
3.1系统设计框图4
3.2各单元电路的设计5
3.2.1变压器降压5
3.2.2桥式整流电路6
3.2.3滤波电路7
3.2.4LM2596降压电路稳压10
4系统原理图及PCB设计18
4.1系统电路原理图18
4.1.1LM2596输入电压原理图18
4.1.2LM2596降压开关电源原理图18
4.1.3电路PCB设计19
5系统性能指标测试20
5.1系统实物图20
5.2变压器工作21
5.3电路工作实测数据22
6设计总结24
参考文献25
附录A26
致谢27
1引言
现在的电源主要有线性电源和开关电源两种,线性电源的效率比较低,一般只有30%~40%,而开关电源的效率在70%~80%。
我们常用的78XX系列属于线性稳压器,其内部调整管工作在线性状态,输出电流一般在1A左右,且发热量大。
开关稳压电源的主要原理是通过使用现代电力电子技术与微电子技术,调整半导体功率开关器件开通和关断之间的时间,使得输出电压稳定的一种电源。
转换电能的主要是靠电子线路组成开关式(方波)电路。
开关电源有可分为交流转直流和直流转直流两大类,由于采用模块直流转直流电源组建的电源系统具有设计快、可靠性强、系统升级便捷等特点,模块直流转直流的应用越来越广泛。
近几年来,迫于数据业务和分布式供电系统的需求不断加强,模块直流转直流的增幅已经超出了一次电源。
随着半导体工艺不断的精细化、封装技术和高频开关的普及化,模块直流转直流功率密度不断增大,开关工作效率不断提高,用户应用更加便捷。
正是基于以上发展形势设计了一款应用广泛、实用性较强的基于LM2596的连续可调的开关电源
2设计方案比较论证
本文的设计要求是输出3—30V连续可调电压,可以选择线性稳压器构成线性电源,也可选择开关电源元器件构成开关电源,现就这两种方案进行论证。
2.1线性电源
线性电源主要包括低频变压器、输出电流整流滤波器、相应控制电路、过热过流保护电路等。
线性电源的工作流程大致为将交流电经过变压器降压,再通过整流滤波电路得到直流电压(不稳定),为了达到高稳定、高精度的直流电压,必须通过反馈电压调整输出电压,这种电源技术很成熟,而且已经达到相当高程度的稳定,波纹系数大幅减小,而且不会产生开关电源特有的干扰与噪音。
但是它的不足之处体现在变压器的庞大而笨重,占据电路相当大的位置,携带性不强,滤波电容的体积和重量也相当大,这些都对电子产品小型化提出严峻挑战,而且电压反馈电路是工作在线性状态,调整管会损耗一小部分压降,在较大工作电流工作时,调整管的功耗便于影响系统的整体指标,主要是转换效率大幅降低。
2.2开关电源
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。
它们的功能是:
1、输入电网滤波器:
减小各类电子产品的开断、大自然雷击、生活中的高频等产生的干扰。
2、输入整流滤波器:
将从市电接入的电压进行整流滤波,为变换器提供直流电压。
3、变换器:
把直流电压变换成高频交流电压,并且隔离输出部分与输入电网的相关影响。
4、输出整流滤波器:
将通过变换器得到的高频交流电压变成需要的直流电压,并减小高频噪声的干扰。
5、控制电路:
对输出直流电压时刻进行检测,并将其与基准电压比较,进行放大。
调制振荡器的脉冲宽度,这样不断的反馈查询调节来稳定输出电压。
6、保护电路:
当发生过压、过流短路时,保护电路开始工作,通过迫使开关电源停止工作达到保护负载和电源本身的目的。
开关电源的主要优点:
实物轻巧、工作转换效率高(一般为60~70%,而线性电源只有30~40%)、对外界干扰抵抗强、宽范围的输出电压。
开关电源的主要缺点:
由于变换电路中不可避免的产生高频电压成分,对产品其他设备有一定的干扰,因此需要具有优良的屏蔽功能,开关电源为了达到高速的道通与截止目的,主要是通过控制开关管的通断来实现.将直流电转化为高频率的交流电提供给逆变器进行电压转换,从而提供用户所设想的一组或多组电压,系统之所以要将其变换成高频交流电,因为高频交流能够在变压器变压电路中达到特别高的效率,也因此开关变压器可以做的很小,而且工作时不是很热,成本也很低。
开关电源,是通过电子技术实现的,主要环节:
整流成直流电——逆变成所需电压的交流电(主要来调整电压)——再经过整流成直流电压输出。
开关电源的结构中中间是不需要变压器和散热片,所以能够做到体型轻巧。
同时,开关电源是由小型化的电子元器件组成,决定了它拥有效率高、发热小的优势。
虽然具有电磁干扰等缺点,但随着屏蔽技术不断的发展提高,可以避免大部分的干扰。
3系统原理及各单元模块
3.1系统设计框图
如图3.1所示所示为系统电路的工作框图。
图3.1
主要原理是:
电源变压器将交流电网220V的电压降压为所需的交流电压,然后通过整流电路将交流电压变成不太稳定的直流电,再通过滤波电路滤除大的不稳定电压,得到平滑的直流电压。
但我们所接入的市电并不理想,所以经过整流滤波之后的直流电还会有小的波动(一般也就±10%左右的波动)。
最后经LM2596的电路,通过调节精密可调电阻达到1.25V-35V连续可调的输出电压。
3.2各单元电路的设计
3.2.1变压器降压
1、确定副边电压U2
根据性能指标要求:
=3V
=30V
又∵
其中:
∴12V≤
≤43V
此范围中可任选:
=24V=
根据
=(1.1~1.2)
可得变压的副边电压:
U2=28V
2、确定变压器副边电流
∵
又副边电流
=(1.5~2)
取
=
=800mA
则
=1.5*0.8A=1.2A
3、选择变压器的功率
变压器的输出功率:
>
=14.4W
因此选择变压器实物图如图3.2所示。
图3.2本系统所采用的变压器
3.2.2桥式整流电路
流电路常采用二极管单相全波整流电路,电路如图1—3所示。
在u2的正半周内,二极管D1、D3导通,D2、D4截止;u2的负半周内,D2、D4导通,D1、D3截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL,且方向是一致的。
在桥式整流电路中,桥式整流输出脉动电压平均值为:
通过每只二极管的平均电流为:
每只二极管承受的最大反向电压为:
∵变压器的副边电压
=24V
∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为:
桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为:
查手册选整流二极管IN4007,其参数为:
反向击穿电压
=50V>34V
最大整流电流
=1A>0.6A
本系统采用桥式整流电桥,其与变压器连接示意图电路和输出波形如图3.3和3.4所示。
图3.3桥式整流电路
图3.4桥式整流电路前后波形
3.2.3滤波电路
1、滤波电路目的
经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。
可利用电容的“通交流,隔直流”的特性,在电路中并入电容作为电容滤波器,滤去其中的交流成分。
2、电容滤波原理
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。
滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。
在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压相等。
而当其上升到峰值后开始下降,电容便通过负载电阻放电,其电压也开始下降,趋势与电容两端电压基本相同。
但是由于电容按指数规律放电,所以当其下降到一定数值后,电容将继续通过负载放电,电容两端电压按指数规律缓慢下降。
总之,在电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器电阻和二极管的导通电阻,其数值很小,因而时间常数很小。
电容放电时,回路电阻
为RL,放电时间常数RLC通常远大于充电的时间常数。
因此滤波效果取决于放电时间。
电容愈大,负载电阻愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。
换言之,当滤波电容容量一定时,若负载电阻减小(即负载电流增大),则时间常数RLC减小,放电速度加快,输出电压平均值即下降,且脉动变大。
输出电压的平均值UO(AV)与放电时间常数RLC有关。
RLC越大,电容器放电速度越慢,则输出电压所包含的纹波成分越小,UO(AV)越大。
为获得平滑的输出电压,一般取放电时间常数为:
τd=RLC≥(3~5)T/2
式中:
T为交流电的周期,在滤波电路放电时间常数满足上式的关系时,可用下式对输出电压的平均值约为电容两端电压的1.2倍。
滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算时,其波形近似为锯齿波,此时脉动系数S可按下式近似估算,其中T为电网电压的周期。
当滤波电容选定后,输出电压平均值U0和输出电流平均值I0的关系称为输出特性,脉动系数S和输出电流平均值I0的关系称为滤波特性。
输出特性和滤波特性如图3.5所示。
图3.5输出特性及滤波特性
曲线表明,电容愈大电路带负载的能力愈强,滤波效果愈好;电流平均值愈大(即负载电阻的RL愈小),电压平均值愈低,S的值愈大。
为减小输出电压的脉动成分,采用的滤波电容器的容值越大越好。
3、电容值选择
当在接上滤波电容后,UO会明显增大,其滤波电容的大小可用式
求得。
(1)求ΔUi
根据稳压电路的的稳压系数的定义:
;
=24V;
代入上式,则可求得ΔUi
(2)滤波电容C
设定
=
=1.6A,t=0.01S;
则可求得C=2650uF。
电路中滤波电容承受的最高电压为
,所以所选电容器的耐压应大于34V。
考虑到身边现有的元件资源,本系统采用用一个3000uF,耐压值为50V的电解电容和一个0.47uF的电容并联进行滤波。
3.2.4LM2596降压电路稳压
1、LM2596芯片的特性
LM2596开关电压调节器也称作降压型电源集成电路,能够为负载电路提供3A的驱动电流,并且拥有良好的线性和负载调节特性。
其输出电压分为固定式的和可调式的,固定式目前市场普及的有3.3V、5V、12V,可调式的可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成了稳定频率的补偿电路和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以连接更小规格的电感、电容元件。
由于该器件标配只需要外接4个元器件,并且可以使用通用的功率电感,这更优化了LM2596的使用,极大地降低了开关电源电路的设计难度。
该器件还有其他开关电源芯片所不具备的其他一些特点:
在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在很低的波动范围,振荡频率误差也相当的低,待机电流能降到80μA以下,能够外部断电;具有自我保护电路。
LM2596实物图如图3.6所示。
图3.6LM2596实物图
LM2596内部电路图如图3.7所示。
LM2596内部包含150KHZ振荡器、1.23v基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器和内部稳压电路等。
图3.7LM2596内部电路
2、LM2596电气特性
经查阅LM2596官方数据手册,其工作参数如表3.1所示
表3.1电气特性
3、LM2596引脚功能
VIN——正输入端,在这个管脚处必须加一个适当的输入旁路电容来减小暂态电压,同时为LM2596提供所需的开关电流。
GND——接地端。
Output——输出端,这个脚上的电压可在(+VIN-VSAT)和-0.5V(大约)间转换。
为了降低耦合干扰,在进行PCB设计时,上连接到该脚的铜线长度尽量短。
Feedback——反馈端,芯片的稳定输出主要是通过这个引脚来实现,它将输出端的电压反馈回芯片,然后芯片内部开始检测并调节。
ON/OFF——这个管脚主要就是为了降低芯片的待机功耗,设计时直接利用逻辑电平把LM2596切断,使输入电流就降到大约80μA。
将这个管脚的电压下拉到低于大约1.3V时,LM2596将打开并工作;当其上拉到高于1.3V(最大到25V)时,LM2596就被关断从而停止工作。
4、LM2596工作原理
为了实现输出电压可调,通常的设计方法是将基准电压(1.23V)连接比较器的负端,分压电阻网络连接其正端。
其中R1=1KΩ,R2分别为1.7KΩ(3.3v),3.1KΩ(5V),8.8KΩ(12V)、0(-ADJ)。
将输出电压的分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较,若检测到电压有差值,则通过放大器调节去芯片内部振荡器的输出占空比,从而稳定输出电压。
本系统需要设计输出电压连续可调,因此R2采用精密可调电阻即可达到设计目标。
其电路原理图如图3.8所示。
图3.8电路原理图
5、元器件的选择
(1)电感的选择(L1)
所有的调节器都有两种基本的工作方式:
连续型和非连续型,两者之间的区别在于流过电感的电流的不同,或者是连续流过,或者是在一个开关周期内经过一段时间后变为零。
每一种工作模式都有可以影响调节器性能和需求的不同特点。
当负载电流很小时,许多设计中都采用非连续模式。
LM2596既可以用于连续型也可以用于非连续型。
在多数情况下,人们更喜欢用连续模式,它能够提供更大的输出功率,同时,峰值开关电流、电感电流、二极管电流和输出纹波电压很小。
但是,这就需要更大的电感以维持流过电感中的电流的连
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