LM2575：高性能降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器詳解

　　LM2575是一款廣泛應(yīng)用于電源管理領(lǐng)域的單片集成降壓（Buck）型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。它集成了所有的控制電路和功率開(kāi)關(guān)，能夠提供高達(dá)1A的輸出電流，并且具有出色的線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)整率。與傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器相比，LM2575以其高效率、低發(fā)熱和緊湊的外部元件需求，在各種直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

　　LM2575系列器件提供多種固定輸出電壓版本，如3.3V、5V、12V、15V以及可調(diào)版本，極大地簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)過(guò)程。其內(nèi)部振蕩器頻率固定在52kHz，這在效率和外部元件尺寸之間取得了良好的平衡。該系列穩(wěn)壓器內(nèi)部集成了頻率補(bǔ)償和軟啟動(dòng)功能，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　核心特性與優(yōu)勢(shì)

　　LM2575之所以廣受歡迎，得益于其一系列卓越的特性：

　　高效率：與線(xiàn)性穩(wěn)壓器相比，LM2575的效率遠(yuǎn)高于80%，這意味著更少的能量損耗和更低的熱量產(chǎn)生。這對(duì)于電池供電設(shè)備和對(duì)散熱要求嚴(yán)格的應(yīng)用至關(guān)重要。高效率不僅降低了功耗，還延長(zhǎng)了電池壽命，并減少了對(duì)大型散熱器的需求，從而縮小了整體解決方案的尺寸和成本。

　　固定工作頻率（52kHz）：內(nèi)部固定的52kHz振蕩器頻率，使得設(shè)計(jì)人員無(wú)需外部定時(shí)元件。這個(gè)頻率是在開(kāi)關(guān)損耗和外部電感、電容尺寸之間權(quán)衡后的結(jié)果，既保證了較高的效率，又能使用相對(duì)較小的外部元件。

　　多種固定輸出電壓版本與可調(diào)版本：LM2575提供了3.3V、5V、12V、15V等多種標(biāo)準(zhǔn)固定輸出電壓選項(xiàng)，以及一個(gè)可調(diào)版本（LM2575-ADJ）。固定電壓版本簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，只需幾個(gè)外部元件即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能?？烧{(diào)版本則通過(guò)外部電阻分壓器，允許用戶(hù)在寬泛的電壓范圍內(nèi)設(shè)置所需的輸出電壓，提供了更大的靈活性。

　　高達(dá)1A的輸出電流：LM2575能夠穩(wěn)定地提供高達(dá)1A的連續(xù)輸出電流，使其適用于驅(qū)動(dòng)中等功率的負(fù)載。這使得它在各種應(yīng)用中，從微控制器供電到小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，都能夠勝任。

　　出色的線(xiàn)路與負(fù)載調(diào)整率：線(xiàn)路調(diào)整率表示輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，而負(fù)載調(diào)整率則反映了負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性。LM2575在這兩方面都表現(xiàn)出色，確保了在各種工作條件下輸出電壓的精確和穩(wěn)定，這對(duì)于對(duì)電源質(zhì)量要求嚴(yán)格的敏感電子設(shè)備至關(guān)重要。

　　內(nèi)部軟啟動(dòng)功能：軟啟動(dòng)功能可以有效限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。在電源啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì)逐漸上升，而不是突然達(dá)到設(shè)定值，這避免了對(duì)輸入電源和負(fù)載的沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　熱關(guān)斷與限流保護(hù)：LM2575集成了完善的保護(hù)功能，包括熱關(guān)斷和電流限制。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過(guò)安全閾值時(shí)，熱關(guān)斷功能會(huì)自動(dòng)關(guān)閉芯片，防止過(guò)熱損壞。電流限制功能則在輸出電流超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)限制輸出，保護(hù)芯片和負(fù)載免受過(guò)流損害。這些保護(hù)機(jī)制極大地增強(qiáng)了芯片的魯棒性和可靠性。

　　極少的外部元件：LM2575只需要很少的外部元件，通常包括一個(gè)電感、幾個(gè)電容和一個(gè)二極管（對(duì)于可調(diào)版本還需要兩個(gè)電阻），即可構(gòu)成一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。這大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了物料清單（BOM）成本，并節(jié)省了PCB空間。

　　工作原理

　　LM2575的工作原理基于脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過(guò)控制內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　開(kāi)關(guān)周期：在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)（通常是一個(gè)MOSFET）導(dǎo)通。此時(shí)，輸入電壓通過(guò)電感向負(fù)載供電，并且電感中的電流線(xiàn)性增加，能量?jī)?chǔ)存在電感中。

　　關(guān)斷周期：當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感兩端的電壓方向反轉(zhuǎn)，并與續(xù)流二極管構(gòu)成回路。電感中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管繼續(xù)向負(fù)載供電，電感電流線(xiàn)性下降。

　　PWM控制：LM2575內(nèi)部的誤差放大器會(huì)比較輸出電壓的反饋信號(hào)（對(duì)于固定版本是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，對(duì)于可調(diào)版本是外部電阻分壓后的電壓）與內(nèi)部精確的基準(zhǔn)電壓。如果輸出電壓低于設(shè)定值，誤差放大器會(huì)輸出一個(gè)更高的電壓，這個(gè)電壓會(huì)調(diào)節(jié)PWM比較器的閾值，從而增加功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間（占空比），使更多的能量傳遞到輸出端，從而提高輸出電壓。反之，如果輸出電壓過(guò)高，則會(huì)減小占空比，降低輸出電壓。

　　紋波過(guò)濾：輸出端的LC濾波器（由電感和輸出電容組成）用于濾除開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的高頻紋波，從而提供平滑的直流輸出電壓。

　　整個(gè)過(guò)程通過(guò)高速反饋回路持續(xù)進(jìn)行，確保輸出電壓在各種輸入和負(fù)載條件下保持穩(wěn)定。這種開(kāi)關(guān)模式的工作方式使得LM2575能夠以高效率轉(zhuǎn)換電能，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，后者通過(guò)在調(diào)整元件上消耗多余電壓來(lái)穩(wěn)壓，導(dǎo)致大量的能量以熱能形式散失。

　　應(yīng)用場(chǎng)景

　　LM2575因其通用性和高性能，在眾多電子設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用：

　　分布式電源系統(tǒng)：在大型電子系統(tǒng)中，通常存在一個(gè)主電源（如12V或24V），LM2575可以用于將主電源降壓為各個(gè)子系統(tǒng)所需的更低電壓，形成分布式電源架構(gòu)。這有助于簡(jiǎn)化電源布線(xiàn)，降低損耗，并提高系統(tǒng)的靈活性。

　　電池供電系統(tǒng)：在便攜式設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中，電池電壓通常會(huì)隨著放電而降低。LM2575能夠?qū)⒉环€(wěn)定的電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。其高效率特性對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。

　　工業(yè)控制：在工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電源電壓（如24V）轉(zhuǎn)換為控制電路所需的5V或3.3V。LM2575的魯棒性和可靠性使其非常適合這些嚴(yán)苛的環(huán)境。

　　汽車(chē)電子：汽車(chē)電源環(huán)境復(fù)雜且波動(dòng)大，LM2575可以用于為車(chē)內(nèi)的各種電子模塊（如信息娛樂(lè)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器等）提供穩(wěn)定的供電。其寬輸入電壓范圍使其能夠適應(yīng)汽車(chē)電池電壓的變化。

　　離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源預(yù)穩(wěn)壓器：在某些離線(xiàn)（市電輸入）開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，LM2575可以用作前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓器，將整流后的高壓直流電壓降低到后續(xù)DC-DC轉(zhuǎn)換器或線(xiàn)性穩(wěn)壓器所需的電壓范圍，從而提高整體系統(tǒng)的效率。

　　簡(jiǎn)易降壓轉(zhuǎn)換器：對(duì)于需要將較高直流電壓降至較低直流電壓的簡(jiǎn)單應(yīng)用，LM2575是一個(gè)理想的選擇，因?yàn)樗恍枰獦O少的外部元件，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

　　設(shè)計(jì)考慮與選型指南

　　在設(shè)計(jì)LM2575為核心的電源電路時(shí)，需要仔細(xì)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

　　輸入電壓范圍：LM2575通常支持較寬的輸入電壓范圍（例如高達(dá)40V或60V，取決于具體型號(hào)），但需要確保您的應(yīng)用輸入電壓在此范圍內(nèi)，并且留有足夠的裕量以應(yīng)對(duì)電壓波動(dòng)。

　　輸出電壓與電流：根據(jù)負(fù)載的需求選擇合適的固定輸出電壓版本，或者選擇可調(diào)版本來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的輸出電壓。同時(shí)，確保LM2575能夠提供足夠的輸出電流以滿(mǎn)足負(fù)載的峰值需求。雖然LM2575額定電流為1A，但持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在最大電流附近會(huì)增加芯片發(fā)熱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定余量。

　　電感選擇：電感是開(kāi)關(guān)電源中最重要的儲(chǔ)能元件。選擇合適的電感值和飽和電流至關(guān)重要。

　　電感值：電感值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致輸出紋波過(guò)大，效率降低；電感值過(guò)大則會(huì)增加元件體積和成本，并可能影響瞬態(tài)響應(yīng)。通常，數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)提供推薦的電感值范圍，并給出計(jì)算公式。

　　飽和電流：電感的飽和電流必須大于流經(jīng)電感的峰值電流。如果電感在峰值電流時(shí)飽和，其電感值會(huì)急劇下降，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源工作不穩(wěn)定，效率降低，甚至損壞芯片。

　　直流電阻（DCR）：電感的直流電阻越小越好，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響電源的效率。

　　尺寸與封裝：根據(jù)空間限制選擇合適的電感封裝類(lèi)型，如屏蔽式或非屏蔽式。屏蔽式電感有助于降低電磁干擾（EMI）。

　　輸入電容選擇：輸入電容主要用于濾除輸入端的紋波，并為開(kāi)關(guān)動(dòng)作提供瞬時(shí)大電流。低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容是首選，通常推薦使用陶瓷電容或低ESR的電解電容。電容容量應(yīng)足夠大，以應(yīng)對(duì)輸入電壓的波動(dòng)和瞬態(tài)負(fù)載變化。

　　輸出電容選擇：輸出電容與電感共同組成LC濾波器，用于平滑輸出電壓，降低紋波。同樣，低ESR的電容對(duì)于減小輸出紋波至關(guān)重要。陶瓷電容、鉭電容或低ESR的鋁電解電容都是常見(jiàn)的選擇。容量大小和ESR值直接影響輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。

　　續(xù)流二極管：LM2575是降壓型轉(zhuǎn)換器，需要一個(gè)外部續(xù)流二極管。肖特基二極管是理想的選擇，因?yàn)樗哂休^低的正向壓降和快速的恢復(fù)時(shí)間，能夠有效降低損耗并提高效率。二極管的反向耐壓應(yīng)大于最大輸入電壓，正向電流額定值應(yīng)大于最大輸出電流。

　　散熱考慮：雖然LM2575效率較高，但在高輸入電壓、高輸出電流或高環(huán)境溫度下，芯片仍會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。需要根據(jù)封裝類(lèi)型（如TO-220或DDPAK）和實(shí)際功耗計(jì)算所需的散熱面積，以確保芯片結(jié)溫不超過(guò)最大允許值?？赡苄枰~外的散熱片或更大的PCB銅面積來(lái)輔助散熱。

　　PCB布局：良好的PCB布局對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的性能至關(guān)重要。

　　短而粗的路徑：電流回路（尤其是高頻開(kāi)關(guān)電流回路）應(yīng)盡可能短且寬，以減小寄生電感和電阻，降低電壓尖峰和EMI。

　　地線(xiàn)規(guī)劃：?jiǎn)吸c(diǎn)接地或星形接地有助于避免地環(huán)路噪聲。將功率地和信號(hào)地分離，并在一點(diǎn)匯合，可以有效降低噪聲對(duì)控制電路的影響。

　　元件放置：電感和續(xù)流二極管應(yīng)靠近LM2575放置。輸入和輸出電容也應(yīng)盡可能靠近其連接點(diǎn)，以最大限度地減小高頻噪聲。

　　去耦電容：在芯片的VIN引腳附近放置一個(gè)小的陶瓷去耦電容，有助于濾除高頻噪聲。

　　EMI/EMC：開(kāi)關(guān)電源固有的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。良好的PCB布局、適當(dāng)?shù)钠帘坞姼泻蜑V波元件（如共模扼流圈、鐵氧體磁珠）可以有效抑制EMI。

　　典型應(yīng)用電路

　　以下是LM2575固定輸出電壓版本和可調(diào)輸出電壓版本的典型應(yīng)用電路概述：

　　1. 固定輸出電壓版本 (例如 LM2575-5.0)

　　這種配置最為簡(jiǎn)單，通常只需要四個(gè)外部元件：

　　輸入電容 (C_IN)：連接在LM2575的VIN和GND之間，用于濾波和提供瞬時(shí)電流。

　　輸出電容 (C_OUT)：連接在LM2575的OUT和GND之間，與電感構(gòu)成LC濾波器。

　　電感 (L)：連接在LM2575的OUT和輸出電容之間。

　　續(xù)流二極管 (D1)：陽(yáng)極接GND，陰極接LM2575的OUT引腳。

　　電路連接簡(jiǎn)單直觀，適合對(duì)輸出電壓要求固定且不需額外調(diào)節(jié)的應(yīng)用。

　　2. 可調(diào)輸出電壓版本 (LM2575-ADJ)

　　可調(diào)版本除了上述的電感、電容和二極管外，還需要兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓：

　　反饋電阻分壓器 (R1, R2)：R1連接在OUT和反饋引腳（FB）之間，R2連接在FB和GND之間。輸出電壓通過(guò)以下公式確定：

　　VOUT=VREF×(1+R2R1)

　　其中，VREF 是LM2575內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（通常為1.23V）。

　　通過(guò)精確選擇R1和R2的值，可以靈活地設(shè)置所需的輸出電壓。這種靈活性使得LM2575-ADJ在需要非標(biāo)準(zhǔn)電壓或需要電壓微調(diào)的應(yīng)用中非常有用。

　　結(jié)論

　　LM2575系列降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器憑借其高效率、易用性、集成保護(hù)功能以及僅需少量外部元件的特點(diǎn)，在各種電源管理應(yīng)用中占據(jù)了重要地位。無(wú)論是用于工業(yè)控制、汽車(chē)電子、便攜式設(shè)備還是簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器，LM2575都提供了一個(gè)可靠、高效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。通過(guò)仔細(xì)遵循數(shù)據(jù)手冊(cè)中的設(shè)計(jì)指導(dǎo)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑x擇和PCB布局，工程師可以有效地利用LM2575來(lái)構(gòu)建穩(wěn)定、高效的電源系統(tǒng)。