深入解析LM2575：高效降压开关稳压器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，电源管理是一个至关重要的环节。而降压开关稳压器作为电源管理的关键组件，对于提高电源效率、稳定输出电压起着重要作用。今天，我们就来深入探讨一下onsemi公司的LM2575系列降压开关稳压器。

文件下载：LM2575-D.PDF

一、LM2575概述

LM2575系列稳压器是一种单片集成电路，非常适合用于设计简单便捷的降压开关稳压器（降压转换器）。该系列的所有电路都能够驱动1.0A的负载，并且具有出色的线路和负载调节能力。它提供了3.3V、5.0V、12V、15V的固定输出电压版本，以及一个可调输出版本，输出电压范围为1.23V至37V。

特点

1. 输出电压版本多样：涵盖了常见的固定输出电压和可调输出版本，满足不同应用的需求。
2. 高精度输出：在指定的输入电压和输出负载条件下，输出电压的公差保证在±4%以内。
3. 宽输入电压范围：输入电压范围为4.75V至40V，适用于多种电源环境。
4. 低功耗：振荡器频率公差为±10%（在0°C至125°C范围内为±2%），典型待机电流仅为80μA。
5. 全面保护：具有逐周期电流限制和热关断功能，确保在故障条件下对设备进行全面保护。
6. 高可靠性：湿度敏感度等级（MSL）为1，适用于汽车和其他有特殊要求的应用，符合AEC - Q100标准并具备PPAP能力。

二、绝对最大额定值和工作额定值

绝对最大额定值

绝对最大额定值表示超过该限制可能会对设备造成损坏。例如，最大电源电压为45V，ON/OFF引脚输入电压范围为 - 0.3V至+Vin，输出电压至地（稳态）为 - 1.0V等。

工作额定值

工作额定值表明设备正常工作的条件，但不保证特定的性能限制。LM2575的工作结温范围为 - 40°C至+125°C，电源电压为40V。

三、电气特性

不同输出电压版本的特性

以LM2575 - 3.3为例，在Vin = 12V、ILoad = 0.2A、TJ = 25°C的条件下，输出电压为3.234V至3.366V；在4.75V ≤ Vin ≤ 40V、0.2A ≤ ILoad ≤ 1.0A的条件下，TJ = 25°C时输出电压为3.168V至3.432V，TJ = - 40°C至+125°C时输出电压为3.135V至3.465V，效率在Vin = 12V、ILoad = 1.0A时为75%。其他版本（如LM2575 - 5、LM2575 - 12、LM2575 - 15和可调版本）也有各自的电气特性。

器件参数

包括反馈偏置电流、振荡器频率、饱和电压、最大占空比、电流限制、输出泄漏电流、静态电流、待机静态电流、ON/OFF引脚逻辑输入电平、ON/OFF引脚输入电流等参数。这些参数对于设计和评估LM2575的性能至关重要。

四、典型性能特性

通过一系列图表（如归一化输出电压、线路调节、开关饱和电压、电流限制、压降电压、静态电流、待机静态电流、振荡器频率、反馈引脚电流、开关波形、负载瞬态响应等）可以直观地了解LM2575在不同条件下的性能表现。

五、PCB布局指南

在设计PCB时，布局非常重要。快速开关电流与布线电感、杂散电容和印刷电路板走线的寄生电感会产生电压瞬变，可能会产生电磁干扰（EMI）并影响所需的操作。为了最小化电感和接地环路，应尽量缩短粗线所示的引线长度。同时，连接到LM2575引脚2（内部开关的发射极）的PCB面积应尽量小，以减少对敏感电路的耦合。此外，反馈线路应保持短而敏感，对于可调版本的LM2575，应将编程电阻靠近稳压器放置。

六、引脚功能描述

Vin（引脚1）

该引脚是LM2575降压开关稳压器的正输入电源。为了最小化电压瞬变并提供稳压器所需的开关电流，必须在输入引脚和地引脚之间使用合适的输入旁路电容。

Output（引脚2）

这是内部开关的发射极，输出开关的饱和电压通常为1.0V。应注意，连接到该引脚的PCB面积应尽量小，以减少对敏感电路的耦合。

GND（引脚3）

电路接地引脚，在PCB布局时需要特别注意。

Feedback（引脚4）

该引脚用于感测调节后的输出电压，以完成反馈回路。信号通过内部电阻分压器网络R2、R1进行分压，并应用于内部误差放大器的同相输入。在可调版本的LM2575开关稳压器中，该引脚是误差放大器的直接输入，电阻网络R2、R1外部连接以允许对输出电压进行编程。

ON/OFF（引脚5）

允许使用逻辑电平信号关闭开关稳压器电路，从而将总输入电源电流降至约80μA。输入阈值电压通常为1.4V，施加高于此值（最高至+Vin）的电压会关闭稳压器；如果施加到该引脚的电压低于1.4V或该引脚接地，稳压器将处于“开启”状态。

七、设计步骤

降压转换器基础

LM2575是一种“降压”或降压转换器，其基本原理图可以在图15中看到。该调节器拓扑的操作有两个不同的时间段：

1. 导通期：当串联开关导通时，输入电压连接到电感器的输入。电感器的输出是输出电压，整流器（或续流二极管）反向偏置。在此期间，电感器电流开始线性上升，能量以磁通量的形式存储在磁芯材料中。
2. 截止期：当功率开关关闭时，电感器两端的电压极性反转，并被续流二极管钳位在地电位以下一个二极管压降。此时电流通过续流二极管流动，从而维持负载电流回路，将存储在电感器中的能量释放出来。

固定输出电压版本的设计步骤

1. 控制器IC选择：根据所需的输入电压、输出电压和电流，选择合适的控制器IC输出电压版本。
2. 输入电容选择：为了防止输入出现大的电压瞬变并确保转换器的稳定运行，需要在输入引脚+Vin和接地引脚GND之间使用铝或钽电解旁路电容。该电容应靠近IC放置，并使用短引线，且具有低ESR（等效串联电阻）值。
3. 续流二极管选择：二极管的最大峰值电流应至少为调节器最大负载电流的1.2倍，反向电压额定值应至少为最大输入电压的1.25倍。
4. 电感器选择：根据最大输入电压和最大负载电流，从电感器选择指南中确定电感区域，选择合适的电感器。
5. 输出电容选择：为了实现低输出纹波电压和良好的稳定性，建议使用低ESR输出电容。电容值通常在100μF至470μF之间，电容的电压额定值应至少为输出电压的1.5倍。

可调输出版本的设计步骤

1. 编程输出电压：选择合适的编程电阻R1和R2的值，使用公式Vout = 1.23(1 + R2/R1)进行计算。
2. 输入电容选择：与固定输出电压版本相同，使用低ESR的铝或钽电解旁路电容。
3. 续流二极管选择：同样，二极管的电流额定值和反向电压额定值需要满足要求。
4. 电感器选择：计算电感器的伏 - 微秒常数（E x T），并与电感器值选择指南中的相应值匹配，确定电感区域和电感器值。
5. 输出电容选择：根据公式Cout ≥ 7.785 × Vin(max) × Vout × L [μH] / [μF]选择合适的输出电容，同时考虑电容的ESR值和电压额定值。

八、外部组件

输入电容

输入电容应具有低ESR值，以防止输入出现大的电压瞬变。在低温环境下，可能需要使用更大值的输入电容或并联陶瓷或固态钽电容来提高调节器的稳定性。同时，输入电容的RMS电流额定值应满足Irms > 1.2 × d × ILoad的要求，其中d为占空比。

输出电容

为了实现低输出纹波电压和良好的稳定性，建议使用低ESR输出电容。输出电容的ESR值和电感纹波电流的峰 - 峰值是影响输出纹波电压的主要因素。在低温环境下，可以将铝电解电容与钽电容并联使用。

续流二极管

续流二极管应靠近LM2575放置，使用肖特基二极管或软开关超快恢复二极管可以提高效率。标准的50/60Hz整流二极管（如1N4001系列或1N5400系列）不适合用于LM2575。

电感器

电感器是开关电源设计的关键组件。LM2575可以在连续和不连续模式下运行。连续模式适用于负载较重的情况，具有更高的输出功率、更低的峰值电流和更低的输出纹波电压，但需要更大的电感值。在选择电感器时，需要考虑磁芯材料、成本、输出功率、物理体积和EMI屏蔽等因素。

九、一般建议

输出电压纹波和瞬变

LM2575的输出电压会包含开关频率下的锯齿波纹波电压，纹波电压值通常为输出电压的0.5%至3%。为了减少纹波电压，可以增大电感器的电感值和/或使用更大值的输出电容，也可以添加额外的LC滤波器。

散热和热考虑

LM2575有TO - 220和D2PAK两种封装。在环境温度较低时，TO - 220封装可能不需要散热片；在环境温度较高时，可能需要使用散热片。D2PAK封装通过PCB板上的铜进行散热，铜面积应至少为0.4 in²（或100 mm²），理想情况下应为2平方英寸（1300 mm²）以上。

十、额外应用

反相稳压器

使用LM2575 - 12的反相降压 - 升压稳压器可以将正输入电压转换为负输出电压。该电路需要较大的启动输入电流，建议使用延迟启动或欠压锁定电路。

负升压稳压器

负升压稳压器是降压 - 升压拓扑的一种变体，输入电压范围为 - 5.0V至 - 12V，提供调节后的 - 12V输出。该电路的开关电流较高，输出负载电流能力较低，需要选择较大的输出电容。

延迟启动和欠压锁定

延迟启动电路可以在输入电压施加和输出电压上升之间提供时间延迟，欠压锁定电路可以使稳压器在输入电压达到一定阈值时才启动。

可调输出、低纹波电源

通过LM2575设计的可调输出、低纹波电源可以提供1.0A的输出电流，输出电压范围为1.2V至35V，输入电压范围为8.0V至40V。为了实现输出纹波的10倍以上降低，电路中包含了额外的L - C滤波器。

总之，LM2575系列降压开关稳压器具有多种特性和应用场景，电子工程师在设计电源电路时可以根据具体需求进行合理选择和设计。在实际应用中，还需要注意PCB布局、外部组件的选择和热管理等方面，以确保电路的稳定性和可靠性。你在使用LM2575时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。