基于LM2576的降压电源的分析与设计

基于 LM2576 的降压电源分析和设计

设计要求：

设计一个基于LM2576降压开关电源，输入15-24V，输出5V/2.5A。要求提供完整的理论设计报告和测试表格；要求尽量降低输出纹波，减小体积，提高性价比；要求合理的布局布线，并提供说明；要求提供合适的测试接口，以方便测试；要求5V/0.5A时LM2576工作在断续模式。

这个是当年参加电子设计集训时崔老师出的题目，如今时间已经过去快2年了，有些记忆正在逐渐消失。抽出时间将它的设计方案整理下来发布在网上，供正在入门开关电源的朋友交流探讨，也供自己回顾一些技术细节。江畔何人初见月，江月何年初照人？人生总要留下点东西，否则怎么证明曾经存在过呢？

一．总体方案设计

本次设计采用LM2576-ADJ芯片进行设计。根据LM2576芯片数据手册确定此次涉及电路结构。设计电路图如图1-1所示。

LM2576芯片有固定电压和可调电压两种，所谓固定电压，其实就是芯片内部把反馈端的两个分压电阻集成在里面了，所谓可调电压，就是芯片的使用者可以通过配置反馈引脚外部的两个分压电阻来设置输出电压。顺便提一下，有时候会看到LM2576有个后缀HV，它的意思是该芯片是高压版本，能够耐受的电压比不带后缀的要高。

图1-1

二．理论分析和计算

1、输入电容的选择

根据芯片数据手册的推荐，采用100uF的铝电解电容作为输入电容，因为考虑到安全性，耐压值取输入电压的1.5倍，所以电容耐压值选用50V的。

2、二极管的选择

选择肖特基二极管，保留20%裕量，电流至少是最大负载电流的1.2倍，所以承受电流应为2.5*1.2=3A；承受电压至少是最大输入电压的1.25倍，所以承受电压至少为1.25*24=30V。

这里说明一下，为什么我们不选择常见的1N4007等二极管。主要是两个原因：1.肖特基的导通压降比较小。2.LM2576的开关频率是52KHz固定值，这个频率对于1N4007来说太高了，可能会出现关断不及时的问题，而肖特基由导通转化为截止时非常迅速，可以胜任开关频率下的工作。

综合考虑选择贴片二极管SS34，3A电流40V耐压，对应的直插二极管时1N5822。(SS14对应1N5819，1A电流40V耐压)

3、电感的推导

电感是开关电源中的核心器件，没有电感就没有开关电源。当你学会电感的推导，是一个很大的进步。我们使用电路分析的知识，完全可以一步一步来推到电感的计算。接下来建议拿出纸和笔，写写画画，对理解更加有帮助。

我们将芯片内部的控制环省去，抽象出来这么一个电路：

其中Q1是芯片的PWM波控制的开关管，在一个开关周期T时间内，PWM波高电平Q1导通，低电平截止。

这里我们想象MOS管Q1为开关S就好，推导时忽略二极管的导通压降。

S闭合时，二极管截止，电流流经L1,Co后回到负极，此时有：

$V_L_1 = V_i_n-V_o_u_t$

S断开时，电感电流不突变，电流在L1,Co,D1之间顺时针流动，此时有：

$V_L_2=V_o_u_t$

记S闭合的时间为DT，断开的时间为(1-D)T，在一个周期T内，电感的平均电流为零：

$V_L_1 DT=V_L_2 (1-D)T$

则：

$V_o_u_t=V_i_n D$

这就是BUCK电路的电压传递公式由来。即理想情况下，输出电压等于输入电压与占空比的乘积

从这个公式可以看出，在理论上，占空比为50%的时候，BUCK电路的输出电压正好为输入的一半。实际调试板子的时候会发现，当占空比为50%，输出电压其实不到输入电压的一半，这是由于各种损耗所导致的。

外部元器件的参数计算：

电感的VAR：

$V_L = L \tfrac{di_L}{dt}$

充能时电感的电流增加的斜率：

$\frac{di_L}{dt} = \frac{V_i_n-V_{out} }{ L }$

放能时电感的电流减小的斜率：

$\frac{di_L}{dt} = \frac{V_{out} }{ L }$

观察电感储能时的电流曲线：

我们可以得到：

$2\Delta i_L = \frac{V_{out}-V_i_n}{L}DT$

（式子左边为电感电流峰峰值）

充电时所需的电感值：

$L = \frac{V_{in}-V_{out}}{2\Delta i_L f}D$

再看电感放能时的电流曲线：

$2\Delta i_L = \frac{V_{out}}{L}(1-D)T$

根据上文推导的BUCK电路电压公式，

$V_o_u_t=V_i_n D$

根据充电或放电的电流变化曲线，可以得到相同的电感值：

$L=\frac{(V_i_n-V_{out})V_{out}}{2\Delta i_LfV_i_n}$

这里输入输出电压，开关频率均已知，剩下一个纹波电流峰峰值，一般取均值电流的0.2-0.4倍即可。当然纹波电流峰峰值取值越小，输出电压纹波越小，但所需的电感也就越大，成本越高。

所以，结合电感的电流波形图，我们只需令5V/0.5A输出时，正好是占空比最大且电感电流处在临界导通模式，即可满足15-24V之间任意输入下工作在断续模式的要求。这里可能一下子比较难理解，这样说好了，当输入15V满足这个断续模式条件时，24V的时候一定也满足，因此仅需考虑15V输入的情况，也就是占空比最大的时候。占空比最大时为D=5/15=1/3, 利用上述充电时所需的电感值公式，代入相应的值，可求得所需电感为64.1uH。根据实际情况，我们最后采用的是60uH的电感。满足在5V/0.5A下工作在电感电流断续模式。

这里务必提一下，实际制作电路不可以使用信号调理电路中使用的小电流电感，开关电源里面的储能电感必须使用功率电感。因为这里不是过滤信号，而是持续地流过大电流并储存能量。

4、输出电容的选择

根据TI的手册和相关资料，输出电容应满足 $C_{out}\geq 13300*\frac{V_I_N}{V_{out}*L(uH)}(uF)$ ,其另外输出电容不超过2200uF，不小于10微法，取参数 $V_I_N=24V,V_{out}=5V,L=80uH$ , 计算得输出电容798uF, 所以选择相近的1000uF电容。

又因为输出电容的耐压值至少是输出电压的1.5倍，所以输出电容的耐压值应该，故选择耐压值16V的电容。

综合容量和耐压，选择1000uF/16V的铝电解电容，实际做板子时可以采用多个小电容并联的方式。

5、R1、R2电阻阻值的选择

R1选择阻值在1KΩ-5KΩ之间，方便选择和计算，取R1为4.7KΩ。

查阅芯片手册，可知 $V_{out}=V_{ref}(1+\frac{R_2}{R_1}),V_{ref}=1.23V$

这里说明一下，1.23V 是 LM2576 电源芯片内部的基准源电压，不同的芯片这个值不一样。至于为什么有这么一个基准电压，有兴趣的可以研究开关电源芯片的环路控制。

我们的设计中，输出电压为5V，根据上式计算得R2得值为14.4KΩ。因为计算和元件都存在误差，电阻要保留一定裕量，实现小幅度电压调节，所以实际取R2为20KΩ的变阻器。

三．原理图和PCB

1、采用Altium Designer设计电路原理图

2、PCB布线图，3D预览

PCB布局参考了TI Datasheet 中的 Layout

四．测试数据

1.额定负载下开关电源输出

额定负载下开关电源输出表

测试序号	输入			输出			效率 (%)
测试序号	电压（V）	电流（A）	功率（W）	电压（V）	电流（A）	功率（W）	效率 (%)
1	15	1.02	15.3	4.917	2.503	12.31	80.4
2	18	0.85	15.3	4.918	2.513	12.36	80.7
3	20	0.76	15.2	4.920	2.513	12.36	81.3
4	22	0.69	15.18	4.919	2.514	12.37	81.4
5	24	0.63	15.12	4.916	2.514	12.36	81.7

相关测试图表：

2.线性调整率

输入电压在规定范围内变化，输出电压的变化率。该指标越小越好。

线性调整率的计算

（负载2.5A, 输入电压为15V和24V两个极端值）

最小输出电压	最大输出电压	线性调整率（%）
4.917	4.916	0.02

3.负载调整率

负载在规定范围内变化，输出电压的变化率。该指标越小越好。

负载调整率的计算

（不同输入电压下，负载电流从空载至满载）

测试序号	输入电压（V）	输出电压（空载）	输出电压（满载）	负载调整率（%）
1	15	5.000	4.917	1.66
2	18	5.001	4.918	1.66
3	20	5.003	4.920	1.66
4	22	5.004	4.919	1.70
5	24	5.002	4.916	1.72

负载调整率随输入电压的变化图

4.纹波

电源的纹波测试，展开来讲也是一门学问，这里说几个关键点：示波器测量通道切到交流耦合，带宽限制20MHz，探针避免使用地线夹，应尽量采用接地环。由于当时没有保存纹波图片，这边就不放了。

纹波的测量表

测试序号	输入电压（V）	输入电流（A）	输出电压（V）	输出电流（A）	纹波（mV）
1	15	1.02	4.917	2.503	57.6
2	18	0.85	4.918	2.513	63.2
3	20	0.76	4.920	2.513	67.2
4	22	0.69	4.919	2.514	68.8
5	24	0.63	4.916	2.514	71.2

纹波随输出电压的变化图

5.DCM模式（断续模式）

由电感的充电电流图可知，通过控制电感的值就能控制在相应的负载电流下使开关电源进入断续模式。由实验现象得知，当输入电压为大于或等于15V时，输出电流达到或小于0.5A时，LM2576-ADJ输出引脚（与电感相连端）出现振铃现象，即标志着电路进入了DCM模式。至于振铃现象的产生原因，记得蓝皮的《开关电源设计（第三版）》中有提及。实际上，在工程实践中，设计开关电源一般会避开断续模式。这里只是题目的设计要求，以便加深对电感充放电的理解。

输出电流为0.488A时工作在断续模式，此时有振铃现象，若电流持续下降，则现象越明显，如下图所示。

输出电流为0.498A时工作在临界连续模式，此处波形较为倾斜。如下图所示。

五．总结

总的来说，LM2576芯片的引脚不多，外围元件少，配置简单，适合电源新手。但从LM2576的手册中可以看到，该芯片是上世纪90年代的芯片，在集成电路技术日益发展的今天，毕竟有些年头了。如果追求更高的效率和性能，完全可以选择比较新的芯片，比如TI的TPS前缀的电源芯片，像TPS5430等。

最后，开关电源一共由10多种拓扑结构，BUCK 电路是最简单的一种，也是非常常见的一种拓扑。一般有降压的地方就有BUCK。可以说 BUCK 电路在电源界相当于代码界的“Hello World”，当然这个 BUCK 可比“Hello World”复杂多了。

参考文献

[1] LM2576 Datasheet

[2]《开关电源设计(第三版)》，（美）普利斯曼著，莫瑞著，王志强等译

完结。

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