基于LM2596的DC-DC可调降压模块设计

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…………………………………………………………………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：1.1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1.2V-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(12RRVVREFOUT.其中VVREF23.1.)1(12REFOUTVVRR.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(12RRVVREFOUT，)1(12REFOUTVVRR这里的VVREF23.1，在240Ω和1.5KΩ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330Ω的1206贴片电阻。根据调节范围和精度要求取KR102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)(sKHVVVVVVVVTEDSATINDOUTSATOUTIN其中，SATV为内部开关饱和电压，且VVSAT16.1。DV为二极管正向压降，VVD5.052.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35V220uF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。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35V220uF的贴片钽电容。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AltiumDesigner16绘制电路原理图和PCB图。图4.1LM2596DC-DC可调降压模块电路原理图图4.2LM2596DC-DC可调降压模块PCB图图4.3LM2596DC-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330Ω的1206贴片电阻1R，采用130Ω和200Ω的电阻串联代替。LED串联1KΩ的1206贴片电阻。输入输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5.212V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