Детальний аналіз роботи модуля LM2596ADJ

Детальний опис фаз роботи понижуючого перетворювача LM2596ADJ

Вступ

LM2596ADJ — це понижуючий (buck) імпульсний стабілізатор напруги, який широко використовується для ефективного зниження постійної напруги з високого рівня до нижчого. Цей стабілізатор відрізняється високою ефективністю, досягнутою завдяки принципам імпульсної комутації, що дозволяє мінімізувати втрати енергії та забезпечити стабільну вихідну напругу навіть при значних коливаннях вхідної напруги та навантаження.

На відміну від лінійних стабілізаторів, які працюють шляхом розсіювання надлишкової енергії у вигляді тепла, LM2596ADJ використовує індуктивні та ємнісні компоненти для збереження та передачі енергії. Це забезпечує високу ефективність до 92%, що робить його ідеальним вибором для застосувань, де важлива енергоефективність та мінімальні втрати енергії.

Основні характеристики LM2596ADJ включають:

Регульована вихідна напруга: Від 1.23 В до 37 В, що дозволяє адаптувати стабілізатор до різних потреб.
Максимальний вихідний струм: До 3 А, що забезпечує живлення широкого спектру електронних пристроїв.
Висока ефективність: До 92%, завдяки імпульсній комутації та оптимізованій схемотехніці.
Вбудовані захисти: Захист від перевантаження по струму, перегріву та короткого замикання, що підвищує надійність роботи.
Компактний розмір: Легко інтегрується у різні електронні схеми та пристрої.

Основні сфери застосування LM2596ADJ:

Блоки живлення для портативної електроніки, таких як смартфони, планшети та ноутбуки.
Живлення мікроконтролерів та інших цифрових схем у вбудованих системах.
Інженерні проекти та прототипи, де потрібне точне регулювання напруги.
Зарядні пристрої для акумуляторів, забезпечуючи ефективне та стабільне заряджання.
Автомобільна електроніка для живлення різних систем автомобіля.

Основний принцип роботи LM2596ADJ полягає у використанні ключового транзистора для комутації енергії через індуктор. Цей процес дозволяє ефективно контролювати вихідну напругу шляхом регулювання робочого циклу транзистора. Переходячи між станами ввімкнення та вимкнення, транзистор дозволяє індуктору накопичувати та віддавати енергію, забезпечуючи стабільну вихідну напругу навіть при змінних умовах навантаження та вхідної напруги.

Опис компонентів модуля LM2596ADJ

1. U1 (LM2596S-ADJ)

U1 (LM2596S-ADJ) — це регульований понижуючий стабілізатор напруги (DC-DC конвертер). Цей чіп відповідає за керування процесом перетворення напруги, забезпечуючи стабільну вихідну напругу незалежно від змін вхідної напруги та навантаження.

Основні функції U1 включають:

Керування комутацією: Вбудований транзистор комутує струм через індуктор, що дозволяє ефективно регулювати вихідну напругу.
Регулювання вихідної напруги: Завдяки регульованому дільнику напруги, мікросхема підтримує заданий рівень вихідної напруги.
Захисти: Вбудовані захисті від перевантаження по струму, перегріву та короткого замикання забезпечують безпечну та надійну роботу модуля.

2. VIN — Вхідна напруга

VIN — це вхідна напруга, яка подається на стабілізатор. Вона може варіюватися від 3.3 В до 40 В, що дозволяє використовувати модуль у різних електронних пристроях з різними джерелами живлення.

3. VOUT — Вихідна напруга

VOUT — це вихідна напруга стабілізатора, яку можна регулювати в діапазоні від 1.25 В до 35 В. Завдяки регулюванню дільника напруги, користувач може налаштовувати вихідну напругу відповідно до потреб свого проекту.

4. FB (Feedback) — Вивід зворотного зв'язку

FB (Feedback) — це вивід зворотного зв'язку, який використовується для регулювання вихідної напруги. Напруга з виходу подається через дільник напруги на цей вивід, де вона порівнюється з опорною напругою мікросхеми. Це дозволяє стабілізатору підтримувати стабільну вихідну напругу.

5. GND — Загальний (земля)

GND — це загальний або земляний вивід модуля, який слугує спільною точкою для всіх компонентів схеми. Він забезпечує стабільний потенціал для всіх електричних елементів модуля.

6. ON/OFF — Вивід для керування живленням

ON/OFF — це вивід, який дозволяє вмикати та вимикати стабілізатор за допомогою GPIO (General Purpose Input/Output) мікроконтролера. Це дає можливість програмно контролювати живлення модуля, що особливо корисно у вбудованих системах та проектах з автоматичним керуванням.

7. L1 — Індуктивність

L1 — це індуктивність з номіналом 47 мкГн, яка використовується для згладжування імпульсів та стабілізації вихідної напруги. Індуктор накопичує енергію під час фази ввімкнення транзистора та віддає її під час фази вимкнення, що сприяє стабільності вихідної напруги.

8. D1 (SS34) — Діод Шотткі

D1 (SS34) — це діод Шотткі, який запобігає зворотному потоку струму в індуктивності. Під час фази вимкнення транзистора діод стає провідним, дозволяючи струму проходити через нього до навантаження та повертатися до індуктора, замикаючи контур.

9. R1 і R2 — Резистори для дільника напруги

R1 і R2 — це резистори, які формують дільник напруги для виводу зворотного зв'язку FB.

де:

R1 = 1.2 кΩ
R2 = 22 кΩ

10. C1 і C2 — Конденсатори згладжування

C1 (100 нФ) та C2 (100 μF, 50V) — це конденсатори, які згладжують вхідну напругу, зменшуючи перешкоди та забезпечуючи стабільність роботи модуля. Вони фільтрують високочастотні шуми та забезпечують чисту напругу для стабілізатора.

11. CF — Конденсатор фільтрації шумів

CF (470 пФ) — це конденсатор для фільтрації шумів у ланцюзі зворотного зв'язку FB. Він допомагає усувати високочастотні перешкоди, забезпечуючи точне регулювання вихідної напруги без впливу шумів.

12. D2 — Світлодіод індикації

D2 — це світлодіод, який сигналізує про наявність вихідної напруги VOUT+. Він дозволяє візуально перевірити, чи стабілізатор працює належним чином та чи є вихідна напруга присутньою.

13. R3 (1 кΩ) — Резистор обмеження струму

R3 (1 кΩ) — це резистор для обмеження струму через світлодіод D2. Він запобігає перевантаженню світлодіода, забезпечуючи його безпечну та тривалу роботу.

14. C3 (220 μF, 50V) — Вихідний конденсатор

C3 (220 μF, 50V) — це вихідний конденсатор, який фільтрує вихідну напругу, забезпечуючи її стабільність та зменшуючи пульсації. Він накопичує енергію та дозволяє забезпечити плавну напругу на виході, навіть при змінних умовах навантаження.

Цикл роботи перетворювача складається з двох основних фаз:

Фаза ввімкнення (транзистор проводить)
Фаза вимкнення (транзистор не проводить)

Фаза ввімкнення (транзистор проводить)

1. Ключовий транзистор увімкнений

Транзистор: Вбудований транзистор у мікросхемі LM2596ADJ (зазвичай N-канальний MOSFET) знаходиться у стані провідності.

Напруга на транзисторі: Напруга падіння на транзисторі мала (близько нуля), що дозволяє більшості вхідної напруги бути прикладеною до індуктора.

2. Струм через індуктор

Напруга на індукторі:

\( V_L = V_{\text{in}} - V_{\text{out}} \)

Зростання струму: Згідно з законом електромагнітної індукції, зміна струму через індуктор визначається формулою:

\( \dfrac{di_L}{dt} = \dfrac{V_L}{L} = \dfrac{V_{\text{in}} - V_{\text{out}}}{L} \)

де:

\( V_{\text{in}} \) — вхідна напруга.
\( V_{\text{out}} \) — вихідна напруга.
\( L \) — індуктивність індуктора.
\( i_L \) — струм через індуктор.

Накопичення енергії: Індуктор накопичує енергію у своєму магнітному полі. Струм через індуктор зростає лінійно протягом часу, поки транзистор увімкнений.

3. Живлення навантаження

Постачання енергії: Струм від вхідної напруги проходить через індуктор до виходу, живлячи навантаження та заряджаючи вихідний конденсатор.

Зменшення пульсацій: Вихідний конденсатор згладжує пульсації напруги, забезпечуючи стабільність вихідної напруги.

4. Стан діода

Діод зворотного струму (діод Шотткі): Під час фази ввімкнення діод заблокований, оскільки його катод має вищий потенціал, ніж анод.

Запобігання зворотному струму: Діод перешкоджає протіканню струму у зворотному напрямку.

5. Енергетичні процеси

Накопичення енергії в індукторі: Енергія, накопичена в індукторі, визначається як:

\( E_L = \dfrac{1}{2} L i_L^2 \)

Лінійне зростання струму: Струм через індуктор зростає від \( i_{\text{min}} \) до \( i_{\text{max}} \) протягом часу ввімкнення \( t_{\text{on}} \).

6. Робочий цикл

Визначення робочого циклу:

\( D = \dfrac{t_{\text{on}}}{T} \)

де:

\( D \) — робочий цикл (коефіцієнт заповнення).
\( T \) — період перемикання (обернений до частоти перемикання).

Контроль робочого циклу: Робочий цикл регулюється внутрішньою схемою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) для підтримання стабільної вихідної напруги.

Фаза вимкнення (транзистор не проводить)

1. Ключовий транзистор вимкнений

Транзистор: Транзистор переходить у стан блокування і перестає проводити струм.

Розрив кола: Вхідна напруга від'єднується від індуктора та навантаження.

2. Реакція індуктора

Самоіндукція: Індуктор прагне зберегти струм, що протікав через нього перед вимкненням транзистора, завдяки енергії, накопиченій у магнітному полі.

Напруга на індукторі: Полярність напруги на індукторі змінюється, підтримуючи протікання струму у тому ж напрямку.

3. Провідність діода

Діод відкривається: Діод Шотткі стає провідним, оскільки напруга на аноді стає вищою, ніж на катоді.

Струм через діод: Струм індуктора протікає через діод до навантаження та повертається до індуктора, замикаючи контур.

4. Струм через індуктор

Зменшення струму: Струм через індуктор починає лінійно зменшуватися, визначається формулою:

\( \dfrac{di_L}{dt} = \dfrac{V_L}{L} = \dfrac{-V_{\text{out}}}{L} \)

де \( V_L = -V_{\text{out}} \) (припускаючи, що падіння напруги на діоді незначне).

Віддача енергії: Індуктор віддає накопичену енергію в навантаження та конденсатор.

5. Живлення навантаження

Підтримка напруги: Вихідний конденсатор та індуктор разом підтримують стабільну напругу на навантаженні.

Зменшення пульсацій: Конденсатор згладжує пульсації, викликані зміною струму через індуктор.

6. Енергетичні процеси

Віддача енергії індуктором: Енергія, накопичена в індукторі, зменшується, оскільки струм через нього зменшується від \( i_{\text{max}} \) до \( i_{\text{min}} \).

Тривалість фази: Час вимкнення транзистора \( t_{\text{off}} = T - t_{\text{on}} \).

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ)

1. Контроль вихідної напруги

Зворотний зв'язок: Напруга з виходу через дільник напруги подається на вхід FB (Feedback).

Порівняння з опорною напругою: Мікросхема порівнює напругу на FB з внутрішньою опорною напругою \( V_{\text{ref}} \).

2. Регулювання робочого циклу

Збільшення вихідної напруги: Якщо \( V_{\text{out}} \) менше потрібного, мікросхема збільшує робочий цикл \( D \), збільшуючи час ввімкнення транзистора.

Зменшення вихідної напруги: Якщо \( V_{\text{out}} \) більше потрібного, мікросхема зменшує робочий цикл \( D \), зменшуючи час ввімкнення транзистора.

3. Частота перемикання

Фіксована частота: LM2596ADJ працює на частоті приблизно 150 кГц.

Вплив частоти:

Вища частота дозволяє використовувати менші індуктори та конденсатори.
Вищі частоти можуть призводити до більших втрат на перемикання.

Дільник напруги для зворотного зв'язку

1. Формула для встановлення вихідної напруги

\( V_{\text{out}} = V_{\text{ref}} \left(1 + \dfrac{R2}{R1}\right) \)

де:

\( V_{\text{ref}} \) — опорна напруга мікросхеми (1.23 В).
\( R1 \) — резистор між FB та землею.
\( R2 \) — резистор між \( V_{\text{out}} \) та FB.

2. Вибір резисторів

Вибір \( R1 \): Зазвичай в межах 240 Ом або 1 кОм.

Розрахунок \( R2 \): Визначається на основі бажаної вихідної напруги.

3. Використання потенціометра

Регулювання вихідної напруги: Заміна одного з резисторів на потенціометр дозволяє плавно змінювати \( V_{\text{out}} \).

Схема підключення:

Потенціометр як \( R2 \): Верхній кінець на \( V_{\text{out}} \), нижній на FB.
Потенціометр як \( R1 \): Верхній кінець на FB, нижній на землю.

Розрахунок дільника напруги для отримання діапазону 1.25 – 35 В

1. Розрахунок для регульованого модуля

LM2596ADJ — це понижуючий (buck) імпульсний стабілізатор напруги з можливістю регулювання вихідної напруги за допомогою зовнішнього дільника напруги. Завдання полягає в тому, щоб розрахувати значення резисторів у дільнику напруги для отримання регульованого діапазону вихідної напруги від 1.25 В до 35 В.

2. Основна формула розрахунку вихідної напруги

Вихідна напруга \( V_{\text{out}} \) визначається за формулою:

\[ V_{\text{out}} = V_{\text{ref}} \left(1 + \dfrac{R2}{R1}\right) \]

де:

\( V_{\text{ref}} \) — опорна напруга мікросхеми (звичайно 1.23 В або 1.25 В).
\( R1 \) — резистор між входом зворотного зв'язку (FB) та землею.
\( R2 \) — резистор між виходом (V_{\text{out}}) та FB.

3. Розрахунок співвідношення резисторів

Для діапазону вихідної напруги від 1.25 В до 35 В потрібно визначити відповідні значення \( R1 \) та \( R2 \).

3.1. Для мінімальної вихідної напруги \( V_{\text{out(min)}} = 1.25\,\text{В} \)

Підставляємо значення в формулу:

\[ 1.25\,\text{В} = V_{\text{ref}} \left(1 + \dfrac{R2_{\text{min}}}{R1}\right) \]

Оскільки \( V_{\text{ref}} = 1.25\,\text{В} \), отримуємо:

\[ 1.25\,\text{В} = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{R2_{\text{min}}}{R1}\right) \]

Звідси:

\[ \dfrac{R2_{\text{min}}}{R1} = 0 \]

Тобто, \( R2_{\text{min}} = 0\,\Omega \).

3.2. Для максимальної вихідної напруги \( V_{\text{out(max)}} = 35\,\text{В} \)

Підставляємо значення в формулу:

\[ 35\,\text{В} = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{R2_{\text{max}}}{R1}\right) \]

Розв'язуємо щодо \( \dfrac{R2_{\text{max}}}{R1} \):

\[ \dfrac{R2_{\text{max}}}{R1} = \dfrac{35\,\text{В}}{1.25\,\text{В}} - 1 = 27 \]

4. Вибір значень резисторів

4.1. Вибір \( R1 \)

Зазвичай вибирають \( R1 = 1\,\text{kΩ} \) для забезпечення достатнього струму через дільник напруги.

4.2. Розрахунок \( R2_{\text{max}} \)

Використовуючи співвідношення \( \dfrac{R2_{\text{max}}}{R1} = 27 \):

\[ R2_{\text{max}} = 27 \times R1 = 27 \times 1\,\text{kΩ} = 27\,\text{kΩ} \]

5. Використання потенціометра

Для регулювання вихідної напруги від 1.25 В до 35 В можна використовувати потенціометр на \( 27\,\text{kΩ} \). Оскільки потенціометри на таке значення можуть бути рідкісними, можна використовувати стандартний потенціометр на \( 25\,\text{kΩ} \) з додаванням фіксованого резистора.

5.1. Схема підключення

Фіксований резистор \( R_{\text{fixed}} = 2\,\text{kΩ} \) підключається послідовно з потенціометром \( R_{\text{pot}} = 25\,\text{kΩ} \).
Загальний опір \( R2_{\text{max}} = R_{\text{fixed}} + R_{\text{pot}} = 27\,\text{kΩ} \).

6. Перевірка розрахунків

6.1. Мінімальна вихідна напруга

Коли \( R2 = 0\,\Omega \):

\[ V_{\text{out(min)}} = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{0}{1\,\text{kΩ}}\right) = 1.25\,\text{В} \]

6.2. Максимальна вихідна напруга

Коли \( R2 = 27\,\text{kΩ} \):

\[ V_{\text{out(max)}} = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{27\,\text{kΩ}}{1\,\text{kΩ}}\right) = 1.25\,\text{В} \times 28 = 35\,\text{В} \]

Чому в реальних модулях LM2596ADJ від виробників використовується потенціометр на 10 кОм?

1. Стандартні компоненти та економічність

Виробники прагнуть знизити вартість продукції та спростити процес виробництва. Потенціометри на 10 кОм є поширеними, доступними та дешевими компонентами. Використання стандартних значень дозволяє зменшити складність закупівлі та складання схеми, а також забезпечує сумісність з іншими компонентами та модулями.

2. Оптимізація діапазону регулювання

Для досягнення широкого діапазону вихідної напруги, виробники використовують поєднання фіксованих резисторів з потенціометром. Зменшуючи значення резистора R1, потенціометр на 10 кОм може забезпечити достатній діапазон регулювання вихідної напруги.

2.1. Розрахунок зі зменшеним значенням `R1`

Припустимо, що ми вибрали R1 = 240 Ω. Використання потенціометра на 10 кОм дозволяє досягти необхідного співвідношення R2/R1 для встановлення бажаного діапазону вихідної напруги.

\[ R2_{\text{max}} = \left( \dfrac{V_{\text{out(max)}}}{V_{\text{ref}}} - 1 \right) \times R1 = \left( \dfrac{35\,\text{В}}{1.25\,\text{В}} - 1 \right) \times 240\,\Omega = 26 \times 240\,\Omega = 6.24\,\text{kΩ} \]

Таким чином, потенціометр на 10 кОм разом із фіксованим резистором забезпечує достатній діапазон регулювання.

3. Використання додаткових резисторів для точного налаштування

Щоб точно досягти діапазону від 1.25 В до 35 В, виробники часто додають фіксовані резистори паралельно або послідовно з потенціометром. Наприклад, використання фіксованого резистора 2 кОм послідовно з потенціометром 10 кОм дозволяє збільшити максимальний опір до 12 кОм.

\[ R2_{\text{total}} = R_{\text{fixed}} + R_{\text{pot}} = 2\,\text{kΩ} + 10\,\text{kΩ} = 12\,\text{kΩ} \]

Це забезпечує необхідний діапазон регулювання вихідної напруги: \[ V_{\text{out(max)}} = V_{\text{ref}} \left(1 + \dfrac{R2_{\text{total}}}{R1}\right) = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{12\,\text{kΩ}}{240\,\Omega}\right) = 1.25\,\text{В} \times 51 = 63.75\,\text{В} \]

Оскільки це значення перевищує бажані 35 В, фіксований резистор можна скоригувати або використовувати потенціометр зі зменшеним максимальним опором, наприклад, паралельно з фіксованим резистором для досягнення необхідних параметрів.

4. Баланс між діапазоном регулювання та стабільністю

Використання потенціометра на 10 кОм дозволяє забезпечити плавне та стабільне регулювання вихідної напруги без значних зсувів або нестабільностей у схемі. Потенціометр з великим опором не споживає значного струму, знижуючи втрати потужності та підвищуючи ефективність перетворювача.

5. Практичність та надійність

Потенціометри на 10 кОм добре зарекомендовали себе як надійні та довговічні компоненти. Вони витримують численні цикли регулювання без значних зносів або змін в характеристиках, що робить їх ідеальними для використання у стабільних модулях живлення.

6. Приклади розрахунку з потенціометром на 10 кОм

Ось приклад розрахунку підключення потенціометра на 10 кОм разом із фіксованим резистором для досягнення бажаного діапазону вихідної напруги:

\[ V_{\text{out}} = V_{\text{ref}} \left(1 + \dfrac{R2}{R1}\right) = 1.25\,\text{В} \left(1 + \dfrac{10\,\text{kΩ}}{240\,\Omega}\right) = 1.25\,\text{В} \times 42 \approx 52.5\,\text{В} \]

Для досягнення більш точного значення 35 В можна використовувати потенціометр з меншим максимальним опором або додати додатковий резистор:

\[ R2_{\text{final}} = \dfrac{35\,\text{В}}{1.25\,\text{В}} \times 240\,\Omega - 240\,\Omega = 6.72\,\text{kΩ} - 240\,\Omega = 6.48\,\text{kΩ} \]

Отже, можна використовувати потенціометр на 10 кОм паралельно з резистором 6.48 кОм для досягнення потрібного значення:

\[ \dfrac{1}{R2_{\text{effective}}} = \dfrac{1}{10\,\text{kΩ}} + \dfrac{1}{6.48\,\text{kΩ}} \approx 0.0001 + 0.0001543 = 0.0002543 \implies R2_{\text{effective}} \approx 3.936\,\text{kΩ} \]

Це дозволяє досягти точного значення вихідної напруги 35 В за допомогою стандартного потенціометра на 10 кОм.

25 вересня (21:42)

246