基于LM2596的DC-DC可调降压模块设计.pdf

1、仲恺农业工程学院课程考查报告书电力电子课程设计院系：自动化学院题目：基于LM2596的DC-DC可调降压模块设计专业班别：自动化（工业自动化）144姓名：黄国盛学号：201421714406提交日期：2017年6月11日1目 录1. 设 计 任 务 与 要 求 21.1 主 要 任 务 与 内 容 21.2 设 计 目 的 与 要 求 22. 需 求 分 析 与 方 案 选 择 22.1 实 现 的 功 能 22.2 方 案 选 择 和 主 要 元 器 件 介 绍 22.3 测 试 电 路 及 其 布 线 方 案 33. 可 调 输 出 调 节 器 设 计 步 骤 43.1 电 阻 的 选 择

2、 43.2 电 感 的 选 择 43.3 输 出 电 容 的 选 择 53.4 前 馈 电 容 的 选 择 53.5 吸 纳 二 极 管 的 选 择 63.6 输 入 电 容 的 选 择 63.7 散 热 方 面 的 考 虑 64. 电 路 原 理 图 和 PCB 图 75. 电 路 焊 接 和 测 试 86. 总 结 97. 参 考 文 献 9附 录 A： 元 器 件 清 单 92基 于 LM2596的 DC-DC可 调 降 压 模 块 设 计（ 仲 恺 农 业 工 程 学 院 自 动 化 学 院 工 业 自 动 化 黄 国 盛 201421714406）1.设 计 任 务 与 要 求 ：1

3、.1 主 要 任 务 与 内 容1 进 行 设 计 方 案 的 比 较 ， 并 选 定 设 计 方 案 ；2 完 成 控 制 电 路 设 计 、 原 理 分 析 和 主 要 元 器 件 、 参 数 选 择 ；3 完 成 主 电 路 的 设 计 、 原 理 分 析 ， 各 主 要 元 器 件 、 参 数 选 择 ；4 保 护 电 路 的 设 计 ；5 按 要 求 完 成 设 计 任 务 ， 写 出 设 计 说 明 书 ；6 计 算 机 绘 制 主 电 路 、 控 制 电 路 、 保 护 电 路 原 理 图 ， 印 刷 电 路 板 图 ；1.2 设 计 目 的 与 要 求1 通 过 本 课 程 设

4、 计 教 学 环 节 ， 使 学 生 加 深 对 所 学 课 程 内 容 的 理 解 和 掌 握 ；2 结 合 工 程 问 题 ， 培 养 提 高 学 生 查 阅 文 献 、 相 关 资 料 以 及 组 织 素 材 的 能 力 ；3 培 养 锻 炼 学 生 结 合 工 程 问 题 独 立 分 析 思 考 和 解 决 问 题 的 能 力 ；4 要 求 学 生 能 够 运 用 所 学 课 程 的 基 本 理 论 和 设 计 方 法 ， 根 据 工 程 问 题 和 实 际 应 用 方案 的 要 求 ， 进 行 方 案 的 总 体 设 计 和 分 析 评 估 ；5. 报 告 原 则 上 要 求 依 据

5、 相 应 工 程 技 术 规 范 进 行 设 计 、 制 图 、 分 析 和 撰 写 等 。2.需 求 分 析 与 方 案 选 择2.1 实 现 的 功 能输 入 ： 直 流 3V 至 40V（ 输 入 的 电 压 必 须 比 要 输 出 的 电 压 高 1.5V以 上 且 不 能 升 压 ）输 出 ： 直 流 1.5V 至 35V 电 压 连 续 可 调 ， 高 效 率 最 大 输 出 电 流 为 3A。特 点 ： 高 Q值 大 功 率 电 感 ， 带 输 出 LED指 示 灯 。电 压 调 节 ： 接 入 电 源 (3-40V)， 调 整 电 位 器 旋 钮 ， 并 用 万 用 表 监 测

6、 输 出 电 压 达 到 需 要 电 压为 止 。应 用 范 围 ：1.车 载 稳 压 电 源 ， 只 需 要 将 模 块 输 入 端 接 上 汽 车 点 烟 嘴 供 电 ， 就 可 以 调 节 电 位 器 ,输出 电 压 就 可 以 在 1.25-30V任 意 调 整 ， 为 手 机 、 MP3、 MP4、 PSP充 电 等 许 多 设 备 供 电 。2.给 电 子 设 备 供 电 ， 当 设 备 需 要 3-35V供 电 而 手 里 无 对 应 电 压 电 源 时 ， 用 这 个 模 块就 可 以 方 便 的 把 电 压 调 到 所 需 电 压 ， 解 决 困 扰 。3.系 统 工 作 电

7、 压 测 试 ， 做 项 目 时 可 以 使 用 本 模 块 调 试 出 各 种 电 压 测 试 系 统 工 作 电 压范 围 。2.2方 案 选 择 和 主 要 元 器 件 介 绍基 于 以 上 要 求 ， 可 采 用 应 用 技 术 比 较 可 靠 的 LM2596开 关 电 压 调 节 器 ， LM2596开 关 电压 调 节 器 是 降 压 型 电 源 管 理 单 片 集 成 电 路 .能 够 输 出 3A的 驱 动 电 流 ， 同 时 具 有 很 好 的 线性 和 负 载 调 节 特 性 。 固 定 输 出 版 本 有 3.3V、 5V、 12V， 可 调 版 本 可 以 输 出 小

8、 于 37V的 各 种电 压 。该 器 件 内 部 集 成 频 率 补 偿 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 使 用 更 小 规 格 的 滤 波 元 件 。 由 干 该 器 件 只 需 4个 外 接 元 件 ， 可 以 使 用 通 用 的3标 准 电 感 ， 这 更 优 化 了 LM2596的 使 用 ， 极 大 地 简 化 了 开 关 电 源 电 路 的 设 计 。 其 封 装 形 式包 括 标 准 的 5脚 TO-220封 装 (DIP)和 5脚 TO-263表 贴 封 装 (SMD)。该 器 件 还

9、有 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 4% 的 范 围 内 ， 振 荡 频 率 误 差 在 15% 的 范 围 内 ； 可 以 用 仅 80uA的 待 机电 流 ， 实 现 外 部 断 电 ； 具 有 自 我 保 护 电 路 (一 个 两 级 降 频 限 流 保 护 和 一 个 在 异 常 情 况 下 断电 的 过 温 完 全 保 护 电 路 ） 。特 点 ：1. 3.3V、 5V、 12V的 固 定 电 压 输 出 和 可 调 电 压 输 出2. 可 调 输 出 电 压 范 围 1

10、.2V-37V 4%3. 输 出 线 性 好 且 负 载 可 调 节4. 输 出 电 流 可 高 3A5. 输 入 电 压 可 高 达 40V6. 采 用 150KHz的 内 部 振 荡 频 率 ， 属 干 第 二 代 开 关 电 压 调 节 器 ， 功 耗 小 、 效 率 高7. 低 功 耗 待 机 模 式 ， 待 机 电 流 的 典 型 值 为 80uA8. TTL断 电 能 力9. 具 有 过 热 保 护 和 限 流 保 护 功 能10. 封 装 形 式 TO-220(DIP)和 TO-263(SMD)11. 外 围 电 路 简 单 。 仅 需 4个 外 接 元 件 ， 且 使 用 容

11、易 购 买 的 标 准 电 感应 用 领 域 ：高 效 率 降 压 调 节 器单 片 开 关 电 压 调 节 器正 、 负 电 压 转 换 器2.3测 试 电 路 及 其 布 线 方 案图 2.3 测 试 电 路 及 其 布 线 方 案注 ： 反 馈 线 要 远 离 电 感 ， 电 路 中 的 粗 线 一 定 要 短 ， 最 好 用 地 线 屏 蔽 ， 调 节 输 出 电 压的 电 阻 R1、 R2要 靠 近 LM2596的 4脚 。输 出 电 压 的 计 算 可 由 下 式 给 出 ：)1( 12RRVV REFOUT .其 中 VVREF 23.1 . )1(12 REFOUTVVRR .

12、43.可 调 输 出 调 节 器 设 计 步 骤3.1 电 阻 的 选 择利 用 以 下 的 公 式 来 选 择 适 当 的 电 阻 值 。 其 中 1R 为 固 定 电 阻 。 2R 为 可 调 电 位 器 。)1( 12RRVV REFOUT ， )1(12 REFOUTVVRR这 里 的 VVREF 23.1 ， 在 240 和 1.5K 之 间 为 1R 选 择 一 个 适 当 的 阻 值 。 低 阻 值 使 敏感 的 反 馈 脚 的 噪 声 容 限 降 到 最 小 。 此 次 设 计 1R 采 用 阻 值 为 330 的 1206贴 片 电 阻 。 根 据调 节 范 围 和 精 度

13、要 求 取 KR 102 可 调 电 位 器 。3.2 电 感 的 选 择表 3.2 电 感 厂 家 产 品 型 号1.可 以 通 过 以 下 的 公 式 计 算 电 感 电 压 与 微 秒 的 乘 积 TE )(Vz1501000)( sKHVVV VVVVVTE DSATIN DOUTSATOUTIN 其 中 ， SATV 为 内 部 开 关 饱 和 电 压 ， 且 VVSAT 16.1 。 DV 为 二 极 管 正 向 压 降 ， VVD 5.052. 用 前 面 公 式 所 得 的 TE 值 ， 从 上 图 中 找 一 个 相 匹 配 的 电 感 序 号 。 在 横 坐 标 上 选 一

14、 个最 大 的 负 载 电 流 。3. 由 TE 和 最 大 的 负 载 电 流 值 的 交 叉 处 确 定 一 个 电 感 区 域 ， 每 个 区 域 都 由 一 个 电 感 值和 一 个 电 感 序 号 （ LXX） 表 征 。4. 从 电 感 厂 家 产 品 型 号 表 选 一 个 适 当 的 电 感 ， 此 次 设 计 选 用 有 磁 屏 蔽 结 构 的 470电 感 器 。3.3 输 出 电 容 的 选 择1. 在 大 多 数 的 使 用 中 ， 使 用 82uF至 820uF之 间 的 低 等 效 电 阻 的 电 解 电 容 和 固 态 钽 电 容效 果 最 好 ， 电 容 要 靠

15、 近 IC， 管 脚 要 短 ， 连 接 的 铜 线 要 短 。 不 能 使 用 大 于 820uF的 电 容 。2. 为 了 简 化 电 容 选 择 步 骤 ， 参 考 快 速 设 计 器 件 选 择 表 进 行 选 择 。3. 电 容 的 耐 压 至 少 应 是 输 出 电 压 的 1.5倍 ， 有 时 为 了 得 到 纹 波 低 的 输 出 电 压 需 要 更 高 的电 压 耐 压 值 ， 此 次 设 计 采 用 35V 220uF的 贴 片 固 态 钽 电 容 作 为 输 出 电 容 。表 3.3 快 速 设 计 器 件 选 择 表3.4 前 馈 电 容 的 选 择当 输 出 电 压

16、大 于 10V时 ， 就 需 要 一 个 补 偿 电 容 ， 这 个 电 容 的 典 型 值 在 100pF至 33nF之 间 ，同 时 ， 与 输 出 电 压 设 置 电 阻 R2并 联 。 对 于 高 输 出 电 压 、 低 输 入 -输 出 电 压 时 ， 或 等 效 电 阻 的输 出 电 容 等 情 况 ， 这 个 电 容 可 以 使 电 路 格 外 稳 定 。 这 个 电 容 可 以 是 瓷 片 电 容 、 塑 胶 或 云 母 电容 等 ， 此 次 设 计 采 用 1uF贴 片 电 容 。63.5 吸 纳 二 极 管 的 选 择1. 吸 纳 二 极 管 的 最 大 承 受 电 流 能

17、 力 至 少 要 为 最 大 负 载 电 流 的 1.3倍 ， 如 果 设 计 的 电 源 要承 受 连 续 的 短 路 输 出 ， 则 吸 纳 二 极 管 的 最 大 承 受 电 流 能 力 要 等 于 LM2596的 极 限 输 出 电 流 。 对吸 纳 二 极 管 来 说 ， 最 坏 的 情 况 是 过 载 或 输 出 短 路 。2. 吸 纳 二 极 管 的 反 向 耐 压 至 少 要 为 最 大 输 入 电 压 的 1.25倍 。3. 吸 纳 二 极 管 必 须 是 快 恢 复 的 且 必 须 靠 近 LM2596。 此 二 极 管 的 管 脚 要 短 。 连 接 的 铜 线 也要 短

18、 。 由 干 所 需 的 二 极 管 开 关 速 度 快 、 正 向 压 隆 低 。 所 以 ， 肖 特 基 二 极 管 是 首 选 ， 同 时 .它 的性 能 和 效 率 都 很 好 。 特 别 是 在 低 输 出 电 压 情 况 下 更 是 如 此 。 使 用 超 快 恢 复 或 高 效 整 流 二 极 管效 果 也 很 好 。 但 是 ， 一 些 有 突 然 关 断 性 能 的 器 件 可 能 会 引 起 不 稳 定 或 电 磁 感 应 的 问 题 。 超 快恢 复 二 极 管 的 典 型 恢 复 时 间 为 50ns 或 更 快 ， 但 IN5400系 列 的 整 流 二 极 管 速

19、度 很 慢 ， 通 常 不用 。 此 时 设 计 采 用 贴 片 肖 特 基 二 极 管 SS34。3.6 输 入 电 容 的 选 择为 了 防 止 在 输 入 端 出 现 大 的 瞬 态 电 压 。 在 输 入 端 和 地 之 间 要 加 一 个 低 等 效 电 阻 （ LowESR）的 铝 或 钽 电 容 作 为 旁 路 电 容 ， 这 个 电 容 要 靠 近 IC。 另 外 ， 输 入 电 容 电 流 的 均 方 根 值 至 少 要 为直 流 负 载 电 流 的 一 半 。 要 确 保 所 选 的 电 容 的 这 个 参 数 不 能 低 于 直 流 负 载 电 流 的 一 半 。 几 个

20、 不同 的 铝 电 解 电 容 的 典 型 均 方 根 电 流 值 所 对 应 的 曲 线 如 图对 铝 电 解 电 容 ， 其 耐 压 值 要 为 最 大 输 入 电 压 的 1.5 倍 且 要 靠 近 IC。 必 须 注 意 的 是 ， 如 果使 用 了 钽 电 容 ， 则 推 荐 使 用 生 产 厂 家 测 试 过 浪 涌 电 流 的 电 容 。 使 用 电 介 质 固 定 的 瓷 片 电 容 为输 入 旁 路 电 容 时 要 特 别 小 心 ， 因 为 这 可 能 会 在 输 入 脚 处 引 起 非 常 严 重 的 噪 声 。 此 时 设 计 采 用35V 220uF的 贴 片 钽 电

21、 容 。3.7 散 热 方 面 的 考 虑LM2596有 两 种 封 装 形 式 ， 5脚 的 TO-220(DIP)； 和 5脚 的 TO-263（ SMD） 封 装 。一 般 情 况 下 ， TO-220(DIP)封 装 需 要 散 热 片 。 散 热 片 的 尺 寸 由 输 入 电 压 、 输 出 电 压 、 负载 电 流 和 环 境 温 度 决 定 。 许 多 因 素 可 以 影 响 温 度 ， 环 境 温 度 越 高 ， 需 要 散 发 的 热 量 也 就 越 多 。TO-263（ SMD） 封 装 的 LM2596 是 要 焊 接 在 PCB 板 上 的 表 贴 元 件 ,铜 和

22、PCB 板 有 助 于 这 种封 装 器 件 和 其 他 散 热 元 件 ， 如 吸 纳 二 极 管 和 电 感 的 散 热 。 焊 接 这 种 封 装 器 件 的 PCB上 的 覆 铜区 域 至 少 要 有 0.4平 方 英 寸 。 更 多 的 覆 铜 区 域 会 改 善 散 热 特 性 。 但 是 ， 当 面 积 大 于 6平 方 英寸 时 ， 在 散 热 方 面 的 改 善 就 很 小 ， 如 果 还 需 要 进 一 步 改 善 散 热 ， 建 议 使 用 覆 铜 区 域 大 的 多 层PCB板 或 在 通 风 的 情 况 下 使 用 。74. 电 路 原 理 图 和 PCB图采 用 A

23、ltium Designer 16绘 制 电 路 原 理 图 和 PCB图 。图 4.1 LM2596 DC-DC 可 调 降 压 模 块 电 路 原 理 图图 4.2 LM2596 DC-DC 可 调 降 压 模 块 PCB 图图 4.3 LM2596 DC-DC 可 调 降 压 模 块 3D 封 装 图 和 470 电 感85. 电 路 焊 接 和 测 试用 洞 洞 板 焊 接 电 路 ， 由 于 找 不 到 阻 值 为 330 的 1206 贴 片 电 阻 1R ， 采 用 130 和 200 的 电阻 串 联 代 替 。 LED串 联 1K 的 1206贴 片 电 阻 。 输 入 输

24、出 排 针 靠 近 电 路 中 央 的 脚 为 正 极 ， 电 路边 缘 的 脚 为 地 即 负 极 。图 5.1 焊 接 电 路 正 面 和 背 面输 入 端 接 入 12V直 流 电 源 ， 通 过 调 节 电 位 器 改 变 输 出 电 压 ， 如 图 所 示 ， 输 出 最 低 电 压 测试 结 果 为 1.25V， 此 时 LED的 亮 度 很 低 。 调 节 电 位 器 使 输 出 电 压 为 实 验 常 用 的 5V， 测 试 结 果如 图 ， 此 时 LED较 亮 。 故 可 通 过 LED的 亮 度 判 断 有 无 电 压 输 出 及 输 出 电 压 的 高 低 。 当 然

25、最 大可 调 节 到 10.5V， 如 果 实 际 输 入 电 压 值 能 达 到 12V稳 定 的 话 。图 5.2 12V 输 入 ， 1.25V 和 5V 调 试 输 出96. 总 结 此 次 课 程 设 计 围 绕 元 器 件 LM2596开 关 电 压 调 节 器 进 行 电 路 设 计 ， 电 路 模 块 实 现 输 入直 流 3V 至 40V（ 输 入 的 电 压 必 须 比 要 输 出 的 电 压 高 1.5V以 上 且 不 能 升 压 ） ， 输 出 直 流1.5V 至 35V 电 压 连 续 可 调 的 功 能 ， 高 效 率 最 大 输 出 电 流 为 3A。 带 输 出

26、 LED指 示 灯 。 适用 于 车 载 稳 压 电 源 ， 只 需 要 将 模 块 输 入 端 接 上 汽 车 点 烟 嘴 供 电 ， 就 可 以 调 节 电 位 器 ,输 出电 压 就 可 以 在 1.25-30V任 意 调 整 ， 为 手 机 、 MP3、 MP4、 PSP充 电 等 许 多 设 备 供 电 ， 简 单实 用 。 可 以 给 电 子 设 备 供 电 ， 当 设 备 需 要 3-35V供 电 而 手 里 无 对 应 电 压 电 源 时 ， 用 这 个模 块 就 可 以 方 便 的 把 电 压 调 到 所 需 电 压 。 也 可 用 于 系 统 工 作 电 压 测 试 ， 做

27、 项 目 时 可 以 使用 本 模 块 调 试 出 各 种 电 压 测 试 系 统 工 作 电 压 范 围 ， 非 常 轻 松 方 便 。 注 意 ， 输 入 输 出 不 能接 反 。 接 反 会 烧 掉 ！ 长 时 间 工 作 建 议 在 2.5A以 内 的 电 流 使 用 ， 同 时 加 上 散 热 片 (10W以 上输 出 )； 由 于 是 降 压 模 块 ,为 了 保 证 输 出 稳 定 ， 需 保 持 最 小 1.5V压 差 。7. 参 考 文 献1潘 传 勇 , 丁 国 臣 , 陈 世 夏 . 基 于 LM2596 的 不 间 断 直 流 电 源 设 计 J. 现 代 电 子 技

28、术 , 2013(17):107-109.2蒋 玉 萍 . 降 压 型 功 率 变 换 器 LM2596 的 原 理 及 应 用 C/ 全 国 电 源 技 术 年 会 . 2001.3佚 名 . 降 压 开 关 稳 压 器 LM2596 系 列 的 数 据 J. 家 庭 电 子 :维 修 版 , 2005(17):5-8.4刘 仁 贵 , 侯 成 英 . 基 于 DC/DC 开 关 稳 压 器 的 大 功 率 LED 恒 流 驱 动 设 计 J. 电 子 设 计 工 程 , 2012,20(5):97-99.5李 继 强 , 符 宇 龙 , 李 文 鹏 ,等 . 基 于 单 片 机 控 制 的

29、 DC-DC 变 换 电 路 J. 电 子 技 术 与 软 件 工 程 ,2015(22):257-257.6蒋 玉 萍 . 一 种 简 易 型 多 路 输 出 DC-DC 变 换 器 J. 电 源 世 界 , 2001(9):7-9.7Pan Z Y, Ding G C, Chen S X. Design of uninterruptible DC power supply based on LM2596J. ModernElectronics Technique, 2013. 附 录 D： 元 器 件 清 单序 号 名 称 型 号 、 规 格 数 量1 电 容 1206 贴 片 电 容 1

30、uF 12 1206 贴 片 电 容 0.1uF 13 贴 片 钽 电 容 220uF 35V 14 贴 片 钽 电 容 100uF 50V 15 电 阻 1206 贴 片 电 阻 1K 16 1206 贴 片 电 阻 200 17 1206 贴 片 电 阻 130 18 二 极 管 贴 片 肖 特 基 二 极 管 SS34 19 电 感 贴 片 屏 蔽 功 率 电 感 CDRH12747UH 12*12*7MM 标 字 470 110 电 位 器 3296W 可 调 电 阻 10K 111 发 光 二 极 管 3mm 白 光 112 排 针 2.54mm 413 洞 洞 板 12*16 洞 114 LM2596 TO-263（ SMD） 封 装 1