LM2596 Steg-ned Converter: Kretsschema, Effektivitet och Belastningstestning

onsemi LM2596 är en justerbar utgång, icke-synkron steg-ned switchande regulator som omvandlar en högre DC-ingång till en lägre reglerad utgång. Den arbetar från 4,5 V till 40 V och kan leverera laster upp till 3 A när induktorn, fångstdioden, kondensatorerna, PCB-layouten och den termiska designen uppfyller databladets krav. Genom att växla energi genom en induktor istället för att avdela överskotsspänning som värme kan den fungera mer effektivt än en linjär regulator. Denna artikel täcker dess stiftutgång, drift, specifikationer, 12 V till 5 V design, effektivitet, PCB-layout och belastningstestning.

Katalog

Figur 1. LM2596

LM2596 Stiftutgång och Förpackningar

Figur 2. LM2596 Förpackningsalternativ och Stiftfunktioner

onsemi LM2596 använder en 5-stiftskonfiguration och erbjuds i TO-220 och D²PAK förpackningsfamiljer. Databladet visar två TO-220 ledarformvarianter och en D²PAK ytmonterad version.

LM2596 Förpackningsalternativ

onsemi Förpackning	Monterings Typ	Anmärkningar
TO-220, TV suffix, Case 314B	Genom hål	Böjd-led TO-220 version
TO-220, T suffix, Case 314D	Genom hål	Rak-led TO-220 version
D²PAK, D2T suffix, Case 936A	Ytmontering	Ytmonterad kraftförpackning

Dessa är onsemi-specifika förpackningsnamn och fallnummer. Andra tillverkare kan använda olika suffix eller förpackningskoder för elektriskt ekvivalenta LM2596-enheter.

LM2596 Stiftfunktioner

Stift	Namn	Funktion
1	VIN	DC ingångsströmförsörjningsanslutning
2	Utgång	Växelnod kopplad till induktorn och fångstdioden
3	Jord	Jordreferens för regulatorn
4	Återkoppling	Känns av utgångsspänningen för reglering
5	PÅ/AV	Aktiverar eller stänger av regulatorn

För onsemi LM2596 gäller samma fem elektriska stiftfunktioner för de visade förpackningsversionerna. I justerbara versioner kopplas Feedback-stiftet till en extern motståndsdelare som ställer in utgångsspänningen.

Arkitektur & Funktionsprincip

LM2596 Arkitektur

Figur 3. LM2596 Intern Blockdiagram och Typisk Buck Converter Applikation

LM2596 är en icke-synkron buckregulator som integrerar huvudkontrollkretsen och en 3 A effektbrytare i en IC. Dess interna arkitektur inkluderar en 1,235 V referens, felförstärkare, komparator, 150 kHz oscillator, lås, brytardrivare, strömbegränsningskrets, termisk avstängning och ON/OFF-kontroll. Den externa induktorn, fångdioden och utgångskondensatorn bildar kraftkonverterings- och filtreringssteget. I den justerbara versionen känns feedbackresistornätverket av den utgående spänningen av och returnerar en skalad spänning till feedback-stiftet för reglering.

LM2596 Arbetsprincip

Under drift växlar LM2596 sin interna effekttransistor upprepade gånger med en nominell frekvens på 150 kHz. När brytaren slår på strömmar ström från ingången genom brytaren och induktorn till lasten och lagrar energi i induktorn. När brytaren slår av fortsätter induktorn att föra ström genom den externa fångdioden. Utgångskondensatorn jämnar ut växelsignalen och förser lasten mellan växlingsintervall. Feedbackkretsen jämför kontinuerligt den uppfattade utgången med den interna referensen och justerar brytarens arbetstid för att upprätthålla den nödvändiga utgångsspänningen när ingångsspänningen eller lasten ändras. Under överdriven ström eller temperatur skyddar de inbyggda strömbegränsande och termiska avstängningskretsarna regulatorn; allvarlig överbelastning kan också orsaka en minskning av växlingsfrekvensen.

LM2596 Nyckelspecifikationer

Specifikation	Värde
Regulator topologi	Icke-synkron step-down buck-regulator
Drift ingångsspänningsområde	4,5–40 V
Justerbart utgångsspänningsområde	1,23–37 V
Utgångslastström	Upp till 3,0 A
Feedback referensspänning	1,23 V nominell
Växlingsfrekvens	150 kHz typisk
Brytarens mättnads spänning	1,5 V typisk
Maximalt ON arbetscykel	Ungefär 95%
Viloström	5 mA typisk
Standbyström	80 µA typisk
ON/OFF-kontroll	PÅ under 1,6 V eller när den lämnas öppen; AV över 1,6 V
Drift junction-temperaturintervall	−40°C till +125°C
Skyddsfunktioner	Cykel-för-cykel strömbegränsning och termisk avstängning
Feedback kompensation	Intern
Förpackningsfamiljer	TO-220 och D²PAK
Fuktighets känslighet nivå	MSL 1

Utformning av en 12 V till 5 V onsemi LM2596-krets

Figur 4. LM2596 Justerbar 12 V till 5 V Typisk Tillämpningskrets

Den justerbara LM2596 använder en feedbackresistor dividerare för att ställa in utgångsspänningen. Utgångsspännings ekvationen är:

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

där V_REF är ungefär 1,23 V, R₁ kopplar från feedback-stiftet till jord, och R₂ kopplar från den reglerade utgången till feedback-stiftet.

För att beräkna R_2 för en nödvändig utgångsspänning:

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

För en 5 V utgång med R₁ = 1,0" k" Ω:

$$R_2=\mathrm{1,0}\text{kΩ}(\frac{5\text{V}}{\mathrm{1,23}\text{V}}-1)\approx \mathrm{3,07}\text{kΩ}$$

Använder den 3,1 kΩ motstånd som visas i den typiska tillämpningskretsen:

$$V_{\text{OUT}}=\mathrm{1,23}\text{V}(1+\frac{\mathrm{3,1}\text{kΩ}}{1.0\text{kΩ}})\approx \mathrm{5,04}\text{V}$$

Därför ger 3,1 kΩ värdet en utgång nära den nominella 5 V målet.

För en ideal buck-omvandlare är den ungefärliga arbetscykeln:

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

För en 12 V ingång och 5 V utgång:

$$D\approx \frac{5\text{V}}{12\text{V}}\approx \mathrm{0,417}=\mathrm{41,7}\text{\%}$$

Detta är en ideal uppskattning. Den verkliga arbetscykeln skiljer sig på grund av spänningsfall över den interna brytaren, Schottky-dioden, induktorn och PCB-anslutningar.

Vid en 3 A utgångslast är utgångseffekten:

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

Värdet 15 W är utgångseffekt, inte den effekt som avges av LM2596. Kontinuerlig 3 A drift beror fortfarande på induktorn, dioden, kondensatorerna, PCB-designen, kylning och omgivningstemperatur.

LM2596 Effektivitet och Termisk Prestanda

Effektivitet jämför den DC-effekt som levereras till lasten med den DC-effekt som dras från ingången:

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

onsemi rapporterar 73% typisk effektivitet för sin LM2596 testkrets vid V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, I_OUT = 3 A, och T_J = 25°C. Vid denna driftspunkt:

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

Den beräknade 5.55 W är den totala omvandlarförlusten, inte bara effekten som avges inuti LM2596. Den inkluderar förluster i den interna strömbrytaren, Schottky-dioden, induktorn, kondensatorerna och PCB-anslutningar. Eftersom 73% är ett typiskt uppmätt värde, är den beräknade ingångseffekten och förlusten ungefärliga och inte garanterade resultat.

onsemi tillhandahåller följande förenklade uppskattning för effekten som avges inuti regulatorn:

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

Den ungefärliga steady-state-junction-temperaturen utan kylfläns är:

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

Endast effekten som avges inuti LM2596 bör användas som PIC. Använd inte den totala omvandlarförlusten på 5.55 W i junction-temperatur-ekvationen. Full belastning kan kräva en kylfläns för TO-220-paketet eller tillräcklig PCB-koppar för D²PAK-paketet. Termiskt avstängning och strömbegränsning är fel-skyddsfunktioner och ska inte användas som normala driftkontroller.

LM2596 PCB-layout, Ripple och EMI

PCB-layout påverkar kraftigt LM2596-stabilitet, utgångsrippel och elektromagnetisk störning. Placera CIN, D1, L1 och COUT nära regulatorn. Håll de högströmvägarna korta och breda, men minimera kopparområdet som är kopplat till stift 2 eftersom denna brytarnod bär en snabbt förändrande spänning.

För den fasta LM2596-5.0, led stift 4 FB direkt till den reglerade utgången efter L1, helst nära den positiva terminalen av COUT. Håll denna ledning borta från brytarnoden, dioden och induktorn. Använd en lågimpedans jordväg och undvik att låta höga diod- eller kondensatorströmmar flyta genom feedback-jordanslutningen.

Den ungefärliga topp-till-topp induktorrippleströmmen är:

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

För V_IN = 12 V, V_OUT = 5 V, L = 33 µH, och f_S = 150 kHz:

$${\Delta I}_L\approx 0.59\text{A topp-till-topp}$$

Utgångsspänningsrippeln är ungefär:

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

Lägre kondensator-ESR minskar generellt rippeln, men kondensatorn måste förbli inom TIs kapacitans- och ESR-rekommendationer för stabil drift. En stängd kärna eller skärmad induktor kan också minska magnetfältkoppling och radiostörd EMI.

Mät rippeln direkt över COUT med en kort oscilloskopjordfjäder. En lång sondjordledare kan plocka upp växlingsbrus och visa ringningar som inte faktiskt är närvarande vid utgången. Komponent- och layoutguidning bör följa TI LM2596-databladet.

Bare LM2596 IC vs LM2596 Modul

Den nakna onsemi LM2596 är bara växelströmsregulator-IC. Den kräver en extern induktor, Schottky-diod, kondensatorer, feedback-resistorer och en korrekt designad PCB. En LM2596-modul kombinerar dessa delar på ett kort. Därför bevisar onsemi IC:s 3 A-betyg inte att varje modul kontinuerligt kan leverera 3 A.

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

Jämförelse	Bare LM2596 IC	LM2596 Modul
Inkluderade delar	Regulator IC endast	Regulator, induktor, diod, kondensatorer, feedbackkomponenter och PCB
Enhetstillverkare	Identifierad av det kompletta onsemi delnumret	Kan inte antas utifrån modulnamnet eller IC-markering ensam
Utgångsinställning	Justerbar med en extern feedbackdelare	Vanligtvis justerad med en ombord potentiometer eller fasta resistorer
Strömkapacitet	Designad för laster upp till 3 A när de externa komponenterna, PCB och kylning uppfyller onsemis krav	Konstant ström begränsas av IC, diod, induktor, kondensatorer, PCB-spår och kylning
Ingångsområde	4.5–40 V driftområde; lämplig designmarginal krävs fortfarande	Kan vara lägre på grund av kapacitator, dioder, kontakter eller PCB-betyg
Komponentval	Kontrollerad och dokumenterad av kretsdesignern	Beror på modulens tillverkare och kan vara odokumenterat
Termisk prestanda	Bestämd av TO-220 eller D²PAK förpackning, PCB-koppar, kylfläns och luftflöde	Ofta begränsad av små kopparområden och begränsat luftflöde
Verifiering	Kan beräknas, dokumenteras och testas under utveckling	Måste inspekteras och lasttestas innan kontinuerlig högströmdrift
Bästa användning	Anpassade kretsar och produktionsdesigner som kräver kontrollerade komponenter och layout	Prototyping och testade låg- till måttligt kraftapplikationer

LM2596 Lasttestning och validering

Lasttestning bekräftar huruvida en LM2596-krets eller modul kan upprätthålla 5 V kontinuerligt utan överdriven ripple, spänningsfall eller överhettning. Följande är en rekommenderad valideringsmetod och bör inte presenteras som författarmätt data om inte testet slutfördes.

Krävd testutrustning

Använd en justerbar DC-källa, elektronisk belastning eller effektmotstånd, digitala multimeter, ett oscilloskop och termoelement eller en termokamera. Registrera instrumentets noggrannhet, omgivningstemperatur, ingångsspänning, komponentvärden, regulatorförpackning och kylförhållanden.

Mät spänningen direkt vid konverterartillfällena. Tunna testledningar kan introducera spänningsfall och ge missvisande resultat.

Incremental load test

Sätt ingången till 12 V och bekräfta att utgången är cirka 5 V innan du kopplar in en tung belastning. Öka strömmen gradvis istället för att applicera 3 A omedelbart.

Teststeg	Föreslagen belastning	Mätningar
Inledande kontroll	Ingen belastning eller minimi säker belastning	Vout och ingångsström
Lätt belastning	0.10–0.20 A	Vout, ripple och temperatur
Medium belastning	0.50–1.00 A	Vin, Iin, Vout, Iout och effektivitet
Hög belastning	1.50–2.00 A	Spänningsreglering och komponenttemperaturer
Maximal test	2.50–3.00 A, endast om säker	Ripple, effektivitet och termisk stabilitet
Transienttest	Steg mellan lätt och hög belastning	Överskott, underskott och återhämtningstid

Låt temperaturen stabilisera vid varje större belastningspunkt. Stoppa testet om utgången kollapsar, regulatorn upprepade gånger går in i strömgräns eller termisk avstängning, eller om någon komponent närmar sig sin märktemperatur.

Mätt fallstudie och tillverkardifferentiering

Bentoutou et al. (2023) byggde en LM2596-prototyp för att konvertera PEDAGO-SAT utbildningsnanosatellitens fyrcelliga litiumjon-buss, cirka 16.8 V, till 12 V. Deras bänk använde en DC-källa, elektronisk belastning, multimeter, oscilloskop och strömprob. Papperet beskriver en prototyp; reproduktionens antal rapporterades inte. Tester täckte cirka 0.7 A, 2.1 A och 3.0 A. Vid 2.099 A var ingång och utgång 16.72 V och 11.93 V; mätt ingångs- och utgångseffekt var 28.52 W och 25.04 W, gav 88% effektivitet. Spännings- och strömripple var 244 mV och 60 mA. Vid 3.0 A föll effektiviteten till 85%. Instrumentens noggrannhet, omgivningstemperatur, testlängd och rymdmiljöqualifikation rapporterades inte. Resultatet stöder laboratoriekravet på 2.1 A, inte en universell LM2596-kapabilitet.

LM2596 vs LMR51430 vs MP1584

Dessa regulatorer kan leverera upp till 3 A, men de skiljer sig åt i ingångsområde, växelmethode, förpackningsstorlek, effektivitet och livscykelstatus.

Specifikation	onsemi LM2596	TI LMR51430	MPS MP1584
Ingångsområde	4.5–40 V	4.5–36 V	4.5–28 V
Utgångsström	Upp till 3 A	3 A kontinuerlig	Upp till 3 A
Topologi	Nonsynkron buck	Synkron buck	Nonsynkron buck
Växlingsfrekvens	150 kHz fast	500 kHz eller 1.1 MHz fasta alternativ	Programmerbar upp till 1.5 MHz
Extern diod	Krävs	Ej krävd; synkrona MOSFET:er är integrerade	Krävs
Förpackning	5-ben TO-220 eller D²PAK	6-ben SOT-23	Termiskt förbättrad SOIC-8E
Beteende vid lätt belastning	Går in i diskontinuerlig ledningsläge vid lätta belastningar	PFM-versioner förbättrar effektivitet vid lätt belastning; FPWM-versioner behåller konstantfrekvensdrift	Minskar växlingsfrekvensen vid lätta belastningar
Produktstatus	Aktiv; verifiera tillgången på den erforderliga utgången och paketsuffix	Aktiv	Inte rekommenderad för nya konstruktioner; finns kvar för befintliga kunder
Bästa användning	Konstruktioner som kräver en ingång på upp till 40 V, en enkel 150 kHz omvandlare, eller ett större handlött paket	Kompakta nya konstruktioner som kräver högre switchingfrekvens, integrerad synkroniserad likriktning och bättre alternativ för lätt belastning	Stödja befintliga kvalificerade konstruktioner; undvik att välja den för nya produkter

Tekniska referenser

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

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

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

• onsemi. LM2596 Utvärderingskort Materiallista. LM2596ADBCKGEVB.

• onsemi. TO-220 5-Led Offset Mekanisk Fallöversikt, Fall 314B-05. Paketdimensioner.

• onsemi. D²PAK 5-Led Mekanisk Fallöversikt, Fall 936A-02. Paketdimensioner.

Vanliga frågor [FAQ]

1. Kan LM2596 upprätthålla en 5 V utgång om ingångsspänningen faller nära 5 V?

Inte alltid. En buck-regulator kräver tillräcklig spänningsskillnad mellan sin ingång och utgång. När V_"IN" närmar sig V_"OUT" , når LM2596 sin maximala arbetscykel, och utgången kan falla under 5 V. Ge tillräcklig ingångsspänningsmarginal för pålitlig reglering.

2. Kan LM2596 användas direkt som en batteriladdare?

Inte med den standardiserade regulatorcirkeln ensam. Batteriladdning kräver normalt kontrollerad laddningsström, spänningsgränser, laddningsterminering och skydd som är lämpliga för batterikemin. LM2596:s strömbegränsning är en fel skyddsfunktion, inte en precis kontroll av laddningsström. Använd en dedikerad batteriladdar-IC eller en korrekt utformad konstantström/konstantspänning krets.

3. Kan en LM2596 användas direkt med en 24 V strömförsörjning för att producera 5 V?

Ja. En 24 V strömförsörjning ligger inom LM2596:s operativa ingångsområde. Men den större step-down-förhållandet kan öka switchingförluster och komponentstress. Dioden, spolen, kondensatorerna, PCB-layout och termisk design måste därför väljas för den faktiska ingångsspänningen och lasten.

4. Ger LM2596 skydd mot omvänd ingångspolaritet?

Nej. Att koppla in strömförsörjningen med omvänd polaritet kan skada regulatorn och andra kretskomponenter. Lägg till en seriediod eller omvänd-polaritet-skyddande MOSFET när felaktig anslutning av strömförsörjningen är möjlig.

5. Vad händer om LM2596:s induktor mättas vid hög belastningsström?

Induktormättnad minskar den effektiva induktansen, vilket gör att toppström och svängningar ökar kraftigt. Detta kan leda till överhettning, instabil utgång eller strömbegränsande drift. Välj en induktor vars mättnadsströmsklassning överstiger den beräknade toppinduktionsströmmen med en lämplig designmarginal.

6. Ger LM2596 elektrisk isolering mellan sin ingång och utgång?

Nej. LM2596 är en icke-isolerad buck-regulator, så ingången och utgången delar en gemensam jord. Applikationer som kräver galvanisk isolering måste använda en isolerad DC–DC konvertertopologi.

7. Kan flera LM2596-utgångar kopplas parallellt för att få mer än 3 A?

De bör normalt inte kopplas direkt parallellt. Små skillnader i utgångsspänning kan orsaka ojämlik strömfördelning, vilket gör att en regulator bär det mesta av lasten. Pålitlig parallell drift kräver ytterligare strömfördelningskretsar eller regulatorer som specifikt är utformade för det ändamålet.