基于 LM2576 的降壓電源分析和設計

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設計要求：

設計一個基于LM2576降壓開關電源，輸入15-24V，輸出5V/2.5A。要求提供完整的理論設計報告和測試表格；要求盡量降低輸出紋波，減小體積，提高性價比；要求合理的布局布線，并提供說明；要求提供合適的測試接口，以方便測試；要求5V/0.5A時LM2576工作在斷續模式。

這個是當年參加電子設計集訓時崔老師出的題目，如今時間已經過去快2年了，有些記憶正在逐漸消失。抽出時間將它的設計方案整理下來發布在網上，供正在入門開關電源的朋友交流探討，也供自己回顧一些技術細節。江畔何人初見月，江月何年初照人？人生總要留下點東西，否則怎么證明曾經存在過呢？

一． 總體方案設計

本次設計采用LM2576-ADJ芯片進行設計。根據LM2576芯片數據手冊確定此次涉及電路結構。設計電路圖如圖1-1所示。

LM2576芯片有固定電壓和可調電壓兩種，所謂固定電壓，其實就是芯片內部把反饋端的兩個分壓電阻集成在里面了，所謂可調電壓，就是芯片的使用者可以通過配置反饋引腳外部的兩個分壓電阻來設置輸出電壓。順便提一下，有時候會看到LM2576有個后綴HV，它的意思是該芯片是高壓版本，能夠耐受的電壓比不帶后綴的要高。

圖1-1

二． 理論分析和計算

1、輸入電容的選擇

根據芯片數據手冊的推薦，采用100uF的鋁電解電容作為輸入電容，因為考慮到安全性，耐壓值取輸入電壓的1.5倍，所以電容耐壓值選用50V的。

2、二極管的選擇

選擇肖特基二極管，保留20%裕量，電流至少是最大負載電流的1.2倍，所以承受電流應為2.5*1.2=3A；承受電壓至少是最大輸入電壓的1.25倍，所以承受電壓至少為1.25*24=30V。

這里說明一下，為什么我們不選擇常見的1N4007等二極管。主要是兩個原因：1.肖特基的導通壓降比較小。2.LM2576的開關頻率是52KHz固定值，這個頻率對于1N4007來說太高了，可能會出現關斷不及時的問題，而肖特基由導通轉化為截止時非常迅速，可以勝任開關頻率下的工作。

綜合考慮選擇貼片二極管SS34，3A電流40V耐壓，對應的直插二極管時1N5822。(SS14對應1N5819，1A電流40V耐壓)

3、電感的推導

電感是開關電源中的核心器件，沒有電感就沒有開關電源。當你學會電感的推導，是一個很大的進步。我們使用電路分析的知識，完全可以一步一步來推到電感的計算。接下來建議拿出紙和筆，寫寫畫畫，對理解更加有幫助。

我們將芯片內部的控制環省去，抽象出來這么一個電路：

其中Q1是芯片的PWM波控制的開關管，在一個開關周期T時間內，PWM波高電平Q1導通，低電平截止。

這里我們想象MOS管Q1為開關S就好，推導時忽略二極管的導通壓降。???????

????????S閉合時，二極管截止，電流流經L1,Co后回到負極，此時有：

?????? S斷開時，電感電流不突變，電流在L1,Co,D1之間順時針流動，此時有：

? ? ? ?記S閉合的時間為DT，斷開的時間為(1-D)T，在一個周期T內，電感的平均電流為零：

?????? 則：

? ? ? ?這就是BUCK電路的電壓傳遞公式由來。即理想情況下，輸出電壓等于輸入電壓與占空比的乘積

從這個公式可以看出，在理論上，占空比為50%的時候，BUCK電路的輸出電壓正好為輸入的一半。實際調試板子的時候會發現，當占空比為50%，輸出電壓其實不到輸入電壓的一半，這是由于各種損耗所導致的。

外部元器件的參數計算：

?????? 電感的VAR：

?????? 充能時電感的電流增加的斜率：

?????? 放能時電感的電流減小的斜率：

觀察電感儲能時的電流曲線：

我們可以得到：

（式子左邊為電感電流峰峰值）

充電時所需的電感值：

再看電感放能時的電流曲線：

根據上文推導的BUCK電路電壓公式，

??

根據充電或放電的電流變化曲線，可以得到相同的電感值：

這里輸入輸出電壓，開關頻率均已知，剩下一個紋波電流峰峰值，一般取均值電流的0.2-0.4倍即可。當然紋波電流峰峰值取值越小，輸出電壓紋波越小，但所需的電感也就越大，成本越高。

所以，結合電感的電流波形圖，我們只需令5V/0.5A輸出時，正好是占空比最大且電感電流處在臨界導通模式，即可滿足15-24V之間任意輸入下工作在斷續模式的要求。這里可能一下子比較難理解，這樣說好了，當輸入15V滿足這個斷續模式條件時，24V的時候一定也滿足，因此僅需考慮15V輸入的情況，也就是占空比最大的時候。占空比最大時為D=5/15=1/3, 利用上述充電時所需的電感值公式，代入相應的值，可求得所需電感為64.1uH。根據實際情況，我們最后采用的是60uH的電感。滿足在5V/0.5A下工作在電感電流斷續模式。

這里務必提一下，實際制作電路不可以使用信號調理電路中使用的小電流電感，開關電源里面的儲能電感必須使用功率電感。因為這里不是過濾信號，而是持續地流過大電流并儲存能量。

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4、輸出電容的選擇

根據TI的手冊和相關資料，輸出電容應滿足? ??,其另外輸出電容不超過2200uF，不小于10微法，取參數??, 計算得輸出電容798uF, 所以選擇相近的1000uF電容。

又因為輸出電容的耐壓值至少是輸出電壓的1.5倍，所以輸出電容的耐壓值應該，故選擇耐壓值16V的電容。

綜合容量和耐壓，選擇1000uF/16V的鋁電解電容，實際做板子時可以采用多個小電容并聯的方式。

5、R1、R2電阻阻值的選擇

R1選擇阻值在1KΩ-5KΩ之間，方便選擇和計算，取R1為4.7KΩ。

查閱芯片手冊，可知?

這里說明一下，1.23V 是 LM2576 電源芯片內部的基準源電壓，不同的芯片這個值不一樣。至于為什么有這么一個基準電壓，有興趣的可以研究開關電源芯片的環路控制。

我們的設計中，輸出電壓為5V，根據上式計算得R2得值為14.4KΩ。因為計算和元件都存在誤差，電阻要保留一定裕量，實現小幅度電壓調節，所以實際取R2為20KΩ的變阻器。

三． 原理圖和PCB

1、采用Altium Designer設計電路原理圖

2、PCB布線圖，3D預覽

PCB布局參考了TI Datasheet 中的 Layout

四． 測試數據

1.額定負載下開關電源輸出

額定負載下開關電源輸出表

測試序號	輸入			輸出			效率 (%)
	電壓（V）	電流（A）	功率（W）	電壓（V）	電流（A）	功率（W）
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

相關測試圖表：

2.線性調整率

輸入電壓在規定范圍內變化，輸出電壓的變化率。該指標越小越好。

線性調整率的計算

（負載2.5A, 輸入電壓為15V和24V兩個極端值）

最小輸出電壓	最大輸出電壓	線性調整率（%）
4.917	4.916	0.02

3.負載調整率

負載在規定范圍內變化，輸出電壓的變化率。該指標越小越好。

負載調整率的計算

（不同輸入電壓下，負載電流從空載至滿載）

測試序號	輸入電壓（V）	輸出電壓（空載）	輸出電壓（滿載）	負載調整率（%）
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

負載調整率隨輸入電壓的變化圖

4.紋波

電源的紋波測試，展開來講也是一門學問，這里說幾個關鍵點：示波器測量通道切到交流耦合，帶寬限制20MHz，探針避免使用地線夾，應盡量采用接地環。由于當時沒有保存紋波圖片，這邊就不放了。

紋波的測量表

測試序號	輸入電壓（V）	輸入電流（A）	輸出電壓（V）	輸出電流（A）	紋波（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

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紋波隨輸出電壓的變化圖

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5.DCM模式（斷續模式）

由電感的充電電流圖可知，通過控制電感的值就能控制在相應的負載電流下使開關電源進入斷續模式。由實驗現象得知，當輸入電壓為大于或等于15V時，輸出電流達到或小于0.5A時，LM2576-ADJ輸出引腳（與電感相連端）出現振鈴現象，即標志著電路進入了DCM模式。至于振鈴現象的產生原因，記得藍皮的《開關電源設計（第三版）》中有提及。實際上，在工程實踐中，設計開關電源一般會避開斷續模式。這里只是題目的設計要求，以便加深對電感充放電的理解。

輸出電流為0.488A時工作在斷續模式，此時有振鈴現象，若電流持續下降，則現象越明顯，如下圖所示。

輸出電流為0.498A時工作在臨界連續模式，此處波形較為傾斜。如下圖所示。

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五． 總結

總的來說，LM2576芯片的引腳不多，外圍元件少，配置簡單，適合電源新手。但從LM2576的手冊中可以看到，該芯片是上世紀90年代的芯片，在集成電路技術日益發展的今天，畢竟有些年頭了。如果追求更高的效率和性能，完全可以選擇比較新的芯片，比如TI的TPS前綴的電源芯片，像TPS5430等。

最后，開關電源一共由10多種拓撲結構，BUCK 電路是最簡單的一種，也是非常常見的一種拓撲。一般有降壓的地方就有BUCK。可以說 BUCK 電路在電源界相當于代碼界的“Hello World”，當然這個 BUCK 可比“Hello World”復雜多了。

參考文獻

[1] LM2576 Datasheet

[2]《開關電源設計(第三版)》，（美）普利斯曼 著，莫瑞 著，王志強等譯

完結。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的基于LM2576的降压电源的分析与设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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