基于LM2596开关电源设计论文(定稿).docx

毕 业 论 文（设 计）题目：基于LM2596可调开关电源的设计与制作（Title）：Based on the LM2596 adjustable switching power supply design and manufacture系 别：_电气工程系_ 专 业：电气工程及其自动化姓 名：林渊豪学 号：_2011010143324_ 指导教师：汪蔚_ 日 期：2015年5月_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；LM2596AbstractWith the rapid development of electronic technology, the application field of electronic system is more and more widely, the kinds of electronic equipment more and more, the relationship between electronic equipment and peoples work and life is becoming more and more closely. In recent years, with the power electronic devices (such as IGBT,MOSFET),PWM technology development and power theory, a new generation of power supply began to gradually replace the traditional power supply circuit. Switch power supply of power adjusting pipe work on the switch state，with low consumption, high efficiency, wide voltage range, low temperature, small size and other outstanding advantages, in communications equipment, numerical control equipment， instrumentation, audio, home appliances, and other widely used in electronic circuits. Switching power supply is the use of modern power electronic technology, control switch transistor opened and shut off time ratio, to maintain stable output voltage of a power supply. With the development of power electronic technology and innovation to make switching power supply technology in constant innovation, the cost of reversal points increasingly move to low output power end, for the switching power supply provides a broad space for development.This paper designed a step-down DC/DC switching power supply circuit, type analysis and expounds the step-down converter circuit topology and the working principle, according to the performance of the system design of the circuit, the power supply is 1.5 V - 40 V input voltage range, output voltage adjustable between 1.25 V - 35 V, the power meter measuring, computing power conversion efficiency of 85% or more, the indicators have reached the design requirements. Overall power supply circuit meet the requirement of small package, and can be used in portable electronic products such as MCU, DSP and USB power supply.Design requirements for the maximum output voltage of 37 V, so the design will lead to a grid rectifier filter circuit drop through the lm317 into LM2596 input voltage. keywords：Dc regulated power supply; Rectification; Filtering; LM2596目录1引言12 设计方案比较论证22.1 线性电源22.2 开关电源23 系统原理及各单元模块43.1 系统设计框图43.2 各单元电路的设计53.2.1 变压器降压53.2.2 桥式整流电路63.2.3 滤波电路73.2.4 LM2596降压电路稳压104系统原理图及PCB设计184.1系统电路原理图184.1.1 LM2596输入电压原理图184.1.2 LM2596降压开关电源原理图184.1.3 电路PCB设计195 系统性能指标测试205.1 系统实物图205.2 变压器工作215.3 电路工作实测数据226 设计总结24参考文献25附录A26致谢2729基于LM2596可调开关电源的设计与制作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330V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6070%，而线性电源只有3040%）、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： 12V43V此范围中可任选 ：=24V=根据 =(1.11.2)可得变压的副边电压：U2=28V2、确定变压器副边电流 又副边电流=(1.52) 取=800mA则=1.50.8A=1.2A3、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13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：Io2=1.22=0.6A查手册选整流二极管IN4007，其参数为：反向击穿电压=50V34V最大整流电流=1A0.6A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:d=RLC(35)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C=IotUi求得。(1) 求Ui根据稳压电路的的稳压系数的定义：；=24V；代入上式，则可求得Ui(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。3.2.4 LM2596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80A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3.6 LM2596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3.7 LM2596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80A。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=1K，R2分别为1.7K（3.3v），3.1K（5V），8.8K （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续性，尤其是在输出负载电流小或输入电压高的情况下。因此本系统在输出端接入电感，使系统性能指标更加完善。A、可以通过以下的公式计算电感电压与微秒的乘积ETB、将VIN=35V、VOUT=30V代入A中，经计算：ET=22.73C、ILOAD（max）=3AD、由图3.9，22.73(Vus)的水平线和3A的垂直线的交叉处确定的电感值为33H，代号为L40。 (2) 输出电容的选择（COUT）这个电容是用来对输出滤波以及提供调整器环路的稳定性。在设计开关调节器的应用中，必须使用小阻抗或低等效电阻（LOW ESR）的电解电容或固态钽电容。在选择输出电容时，几个重要的参数是：100KHz时的等效阻抗（ESR）；RMS纹波电流等级；耐压值；标称容量。对输出电容器来说，等效电阻ESR值是最重要的参数。输出电容的等效电阻值有一个上限和一个下限，如果需要输出电压的纹波电压小时，则希望输出电容的等效电阻值小些，这个值由可容许的最大纹波电压决定，一般是输出电压的1%2%，但是，如果输出电容的等效电阻值太小，就有可能使反馈环路不稳定，最终导致输出端振荡。图3.9 LM2596-ADJ电感选择A、在大多数的使用中，使用10F820F之间的低等效电阻（Low ESR）的电解电容或固态钽电容效果最好，电容要靠近IC，管脚要短，连接的铜线要短。不要使用大于820F的电容。B、从表2.2所示的快速设计器件选择中，先选择一个输出电压列，在输出电压列中，选择一条与本系统应用中所需电压最接近的一条电压线，在本系统中，选择28V的电压线。所以选择的220uf的电解电容耐压值应该在50V以上，结合元件资源，本系统采用耐压值为50V，容值为220uf的直插式电解电容。表3.2 输出电容和前馈电容选择表(3) 吸纳二极管的选择（D1）在LM2596的应用（调节器）中，需要借用吸纳二极管的电气特性来为电感电流（当开关闭合时）提供通路，并且要足够靠近LM2596，管脚要短、PCB设计连接的导线也要短。由于肖特基二极管的电气特性是开关速度快、正向压降小，所以，使用中其性能很好，特别是在低电压输出的实际应用中（5V或更低）。其超快恢复的特性很好。唯一的不足就是在电路突然关闭时，可能会引起不稳定或EMI（电磁干扰）问题。参考表3.3，在本系统中，3A/40V的肖特基二极管IN5822可以产生很好的效果，而且，在输出短路的情况下，也不会过载。表3.3 二极管选择表(4)、输入电容的选择（CIN）这是一个加在输入端和地之间的低等效电阻（Low ESR）的铝或钽旁路电容。且必须通过短的引脚和覆铜线，使其靠近LM2596，这个电容可以防止在输入端出现过大的瞬态电压，同时为LM2596在每次开关时提供瞬态电流。对输入电容而言，最重要的参数是耐压和均方根电流（纹波电流）。由于在开关调节器（LM2596）的输入电容中流过相对较高的均方根电流，所以，是以均方根电流而不是以电容值或耐压值为标准来选择输入电容，虽然电容值和额定电压是直接关系到均方根电流值。输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数。如果输入电压是30V，那么，铝电解电容的耐压要大于45V（1.5VIN），下一个更高的电容耐压值为50V，因此使用一个50V的电解电容。在调节器中输入电容的电流均方根大约是直流负载电流的一半，本系统选择一个100F/50V的电容。对于选择直插元件的设计，100F/50V的电解电容就足够了。(5)、电阻值选择为了实现输出电压连续可调，需要外接一个固定电阻和精密可调电阻来实现输出电压的计算可由下式给出：Uout=1.23(1+R3R4)通常，为了确保输出稳定，R4选用标称阻值为1000，精度为1%的电阻。由上述公式及系统性能指标要求，R3选用标称阻值为50000的精密可调电阻。6、PCB设计注意事项在开关调节器中，PCB版面布局图非常重要，开关电流与环线电感密切相关，由这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题。要使这种感应最小、地线形成回路，图中所示的粗线部分在PCB板上要印制得宽一点，且要尽可能地短。为了取得最好的效果，外接元器件要尽可能地靠近开关型集成电路，最好用地线屏蔽或单点接地。最好使用磁屏蔽结构的电感器，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，对它的位置必须格外小心。如果电感通量和敏感的反馈线相交叉，则集成电路的地线及输出端的电容COUT的连线可能会引起一些问题。在输出可调的方案中，必须特别注意反馈电阻及其相关导线的位置。在物理上，一方面电阻要靠近IC，另一方面相关的连线要远离电感，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，这一点就显得更加重要。4系统原理图及PCB设计4.1系统电路原理图4.1.1 LM2596输入电压原理图原理图如图4.1所示。图4.1 电源转换原理图4.1.2 LM2596降压开关电源原理图原理图如图4.2所示。图4.2 LM2596开关电路原理图4.1.3 电路PCB设计PCB布线图如图4.3所示图4.3 PCB布线图5 系统性能指标测试5.1 系统实物图图5.1 实物图正面图5.2 实物图反面5.2 变压器工作变压器降压后加到板子上的电压实测数据如图5.3所示。 图5.3 实测变压器输出电压值5.3 电路工作实测数据如图4-4所示为实际工作中调节精密可调电阻测得的输出电压为19.0V图5.4 实际工作中的电压测量数据图图5.5 可调最低电压测试结果图5.6 可调最高电压测试结果如图5.5和图5.6所示为电路所能调节的最小电压和最大电压。从图中可知，当输出值最小时，不能导通LED指示灯。如图5.7为使用万用表短接输出端的VCC和GND之后测得的电流。图5.7 短路时电路中的电流6 设计总结随着电力电子技术及处理器技术的飞速发展，现代通信开关电源系统正朝着高频化、高功率因数、模块化、全数字化的方向发展。实现高频化的有效途径是采用软开关技术并对设计过程中涉及到的主电路及相关硬件电路设计、功率因数校正技术、控制技术等方面进行了探讨，完成了详细的电路及参数设计。论文针对降压型DC电源进行了设计、仿真和实验等工作。并对电路实物进行了功能调试与分析，得出了电源的负载能力、应用性、输出电压稳定性等实验数据，电压可调范围能达到1.236V，电流能在3A左右。并且在实际环境中，芯片并不是很烫，比周围环境温度最多能高10。综上所述，该电源散热性好、转换效率高、应用广泛、带负载能力较强(约为20)、在便携式电子产品中具有很高的应用前景。参考文献1.长谷川彰,何希才.开关稳压电源的设计与应用M.科学出版社,2004.3.2.沙占友,王彦朋.开关电源设计入门与实例解析J.中国电力出版社,2009.10.3杨恒开关电源典型设计实例精选M中国电力出版社，2007.94陈亚爱开关变换器的实用仿真与测试技术M机械工业出版社，2010,15REYNOLDSSKADCDC converter for shortchannel CMOS technologiesJIEEE J Sol Sta Circ,1997,32(1):1111136Sergio B MJean C CScott R，etalDesign of a Boost Power Factor Correction Converter Using Optimization TechniquesJIEEE Trans on Power 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