深入解析LM2595：降压开关稳压器的设计与应用

引言

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。降压开关稳压器作为常用的电源转换器件，能够高效地将高电压转换为低电压，满足各种电子设备的供电需求。今天，我们将深入探讨 onsemi 公司的 LM2595 降压开关稳压器，详细介绍其特性、工作原理、设计步骤以及应用场景。

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LM2595 特性概述

LM2595 是一款单片集成电路，专为降压开关稳压器（降压转换器）的便捷设计而打造。它具有以下显著特性：

1. 输出电压可调：输出电压范围为 1.23V - 37V，可根据实际需求灵活调整。
2. 高负载能力：能够驱动 1.0A 的负载，具备出色的线路和负载调节能力。
3. 宽输入电压范围：输入电压最高可达 40V，适应多种电源环境。
4. 固定频率内部振荡器：工作频率为 150kHz，允许使用较小尺寸的滤波组件。
5. 低功耗待机模式：典型待机电流为 50μA，有助于降低功耗。
6. 多种保护功能：包括热关断和电流限制保护，确保在故障条件下的安全运行。
7. 内部环路补偿：减少外部组件数量，简化电源设计。
8. 防潮等级：MSL 等于 1，具有较好的防潮性能。
9. 无铅封装：符合环保要求。

引脚功能说明

引脚	符号	描述
1	Output	内部开关的发射极，输出开关的饱和电压典型值为 1.0V。为减少对敏感电路的耦合，连接该引脚的 PCB 面积应尽量小。
2	Vin	LM2595 降压开关稳压器的正输入电源引脚。为减少电压瞬变并提供稳压器所需的开关电流，需在该引脚与地之间连接合适的输入旁路电容。
3	GND	电路接地引脚，在 PCB 布局时需注意相关信息。
4	Feedback	误差放大器的直接输入引脚，通过外部连接电阻网络 R2、R1 来编程输出电压。
5	ON/OFF	允许使用逻辑电平信号关闭开关稳压器电路，将总输入电源电流降至约 50μA。阈值电压典型值为 1.6V，施加高于此值（最高至 +Vin）的电压可关闭稳压器；若施加电压低于 1.6V 或该引脚悬空，稳压器将处于“开启”状态。

工作原理

LM2595 作为降压转换器，其基本工作原理基于 Buck 拓扑。该拓扑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的输入端。电感的输出即为输出电压，整流器（或续流二极管）反向偏置。在此期间，由于电感两端连接着恒定电压源，电感电流开始线性上升，其计算公式为： [I{L(on)}=frac{(V{IN}-V{OUT})t{on}}{L}] 同时，能量以磁通量的形式存储在电感的核心材料中。
2. 关断期：当功率开关关断时，电感两端的电压极性反转，并被续流二极管钳位在低于地一个二极管压降的位置。此时，电流通过续流二极管流动，维持负载电流回路，从而释放电感中存储的能量。电感电流的计算公式为： [I{L(off)}=frac{(V{OUT}-V{D})t{off}}{L}] 通过改变功率开关的占空比来实现转换器的调节，占空比可表示为： [d=frac{t{on}}{T}] 对于理想组件的降压转换器，占空比还可表示为： [d=frac{V{out}}{V_{in}}]

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： [V{out}=V{ref}(1.0+frac{R2}{R1})] 其中，(V_{ref}=1.23V)。电阻 R1 可在 1.0kΩ - 5.0kΩ 之间选择，为获得最佳温度系数和长期稳定性，建议使用 1% 的金属膜电阻。

2. 输入电容选择（(C_{in})）

为防止输入出现大的电压瞬变并确保转换器稳定运行，需在输入引脚 +Vin 和接地引脚 GND 之间连接一个铝或钽电解旁路电容。该电容应靠近 IC 放置，并使用短引线。电容应具有低 ESR（等效串联电阻）值。

3. 续流二极管选择（D1）

二极管的反向电压额定值应至少为最大输入电压的 1.25 倍。

4. 电感选择（L1）

- 计算电感的伏微秒（V x μs）常数：

[ET = frac{(V{IN}-V{OUT}-V{SAT})(V{OUT}-V{D})}{(V{IN}-V{SAT}-V{D})f_{osc}}]

• 将计算得到的 E x T 值与电感值选择指南（图 19）垂直轴上的相应数值匹配。
• 根据 E x T 值和水平轴上的最大负载电流值，确定电感区域。
• 从表 3 中选择合适的电感，所选电感的额定开关频率应为 150kHz，电流额定值应为 1.15 x (I_{Load})。

5. 输出电容选择（(C_{out})）

- 由于 LM2595 是采用电压模式控制的正向模式开关稳压器，其开环具有 2 极点 - 1 零点频率特性。环路稳定性由输出电容（电容值、ESR）和电感值决定。
- 为实现稳定运行，建议使用表 1 中推荐的输出电容值。低 ESR 电解电容（180μF - 1000μF）可获得最佳效果。
- 电容的电压额定值应至少为输出电压的 1.5 倍，通常需要更高的电压额定值以满足低 ESR 要求。

6. 前馈电容（(C_{FF})）

前馈电容主要为较高输入电压提供额外的环路稳定性。对于 (C_{FF}) 的选择，可参考设计步骤部分。补偿电容（0.6nF - 15nF）与输出电压设置电阻 R2 并联，电容类型可以是陶瓷、塑料等。

外部组件选择要点

输入电容（(C_{in})）

输入电容应具有低 ESR，以防止输入出现大的电压瞬变。对于稳定的开关模式转换器运行，需要在输入引脚和接地引脚之间连接一个低 ESR 的铝或固体钽旁路电容。该电容应靠近稳压器放置，并使用短引线。在低温环境下，为确保可靠运行，可能需要更大值的输入电容，同时并联陶瓷或固体钽电容可提高稳压器在低温下的稳定性。输入电容的重要参数是 RMS 电流额定值，为保证电容的最大使用寿命，电容的 RMS 纹波电流额定值应满足： [I{rms}>1.2 × d × I{Load}] 其中，d 为占空比，对于降压调节器，(d=frac{t{on}}{T}=frac{V{out}}{V_{in}})。

输出电容（(C_{out})）

为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。输出电容的主要功能是滤波输出和提供稳压器环路稳定性。输出电容的 ESR 和电感纹波电流的峰 - 峰值是影响输出纹波电压值的主要因素。标准铝电解电容在某些应用中可能足够，但对于高质量设计，推荐使用低 ESR 类型。铝电解电容的 ESR 值与多种因素有关，如电容值、电压额定值、物理尺寸和构造类型。在大多数情况下，较高电压的电解电容具有较低的 ESR 值。为提供低输出纹波电压所需的低 ESR 值，通常需要使用电压额定值更高的电容。

前馈电容

前馈电容为反馈环路增加超前补偿，提高相位裕度，以实现更好的环路稳定性。对于 (C_{FF}) 的选择，可参考设计步骤部分。

续流二极管

LM2595 作为降压转换器，需要一个快速二极管在开关关断时为电感电流提供返回路径。该二极管应靠近 LM2595 放置，使用短引线和短印刷电路走线，以避免 EMI 问题。建议使用肖特基二极管或软开关超快恢复二极管，因为整流二极管是开关电源中重要的损耗源，选择最适合转换器设计的整流二极管至关重要。肖特基二极管由于其快速开关速度和低正向压降，提供了最佳性能，尤其在低输出电压应用（5.0V 及以下）中效率最高。另一种选择是快速恢复或超快恢复二极管，但某些具有突然关断特性的二极管可能会导致不稳定或 EMI 问题。具有软恢复特性的快速恢复二极管更能满足一些高质量、低噪声设计要求。

电感

磁性组件是所有开关电源设计的基石，磁组件设计中使用的磁芯样式和绕组技术对整个电源的可靠性有很大影响。使用不合适或设计不佳的电感可能会导致开关电源中电流变化率产生高电压尖峰，并且在异常运行模式下可能会出现磁芯饱和的情况。电压尖峰可能会使半导体进入雪崩击穿状态，如果施加足够的能量，部件可能会立即失效。此外，还可能会导致严重的 RFI（射频干扰）和 EMI（电磁干扰）问题。

LM2595 降压转换器可以在连续和不连续两种模式下运行。当负载相对较重时，调节器工作在连续模式，电流连续流过电感且不会降至零；在轻负载条件下，当电感电流在一段时间内降至零时，电路将被迫进入不连续模式。每种模式具有不同的运行特性，会影响调节器的性能和要求。在许多情况下，首选的运行模式是连续模式，它提供更大的输出功率、开关、电感和二极管中的较低峰值电流，并且可以具有较低的输出纹波电压。然而，它需要更大的电感值来保持电感电流连续流动，特别是在低输出负载电流和/或高输入电压的情况下。

为简化电感选择过程，数据手册中提供了 LM2595 调节器的电感选择指南（图 19）。该指南假设调节器在连续模式下运行，并选择一个电感，使电感纹波电流的峰 - 峰值为最大设计负载电流的一定百分比。这个百分比会随着不同的设计负载电流而变化。对于轻负载（小于约 300mA），可能希望调节器在不连续模式下运行，因为电感值和尺寸可以相对较小。因此，电感峰 - 峰值电流的百分比会增加。这种不连续运行模式对于这种类型的开关转换器是完全可以接受的。任何降压调节器在负载电流足够轻时都会被迫进入不连续模式。

应用注意事项

输出电压纹波和瞬变

由于 LM2595 是开关模式电源稳压器，其输出电压如果不进行滤波，将包含一个开关频率的锯齿波纹波电压。输出纹波电压值范围为输出电压的 0.5% - 3%，主要由电感锯齿波纹波电流乘以输出电容的 ESR 引起。调节器输出电压还可能在锯齿波波形的峰值处包含短电压尖峰，这是由于输出开关的快速开关动作和输出滤波电容的寄生电感造成的。其他重要因素，如布线电感、杂散电容以及用于评估这些瞬变的示波器探头，都会影响这些尖峰的幅度。为最小化这些电压尖峰，应使用低电感电容，并保持其引线长度短。同时，高质量的 PCB 布局设计也非常重要。

为最小化输出纹波电压，可以增大电感 L1 的电感值和/或使用更大值的输出电容。还可以通过添加额外的 LC 滤波器（3μH，100μF）来平滑输出，进一步减少输出纹波和瞬变。使用这样的滤波器可以将输出纹波电压瞬变降低 10 倍或更多。

散热设计

对于表面贴装封装 D2PAK，其设计是焊接到 PC 板上的铜层，铜层和电路板作为该封装及其他发热组件（如续流二极管和电感）的散热片。封装焊接到的 PC 板铜面积应至少为 (0.4in^{2})（或 (100mm^{2})），理想情况下应为 2 平方英寸（(1300mm^{2})）以上的 0.0028 英寸铜层。超过约 (3.0in^{2})（(2000mm^{2})）增加铜面积对散热改善不明显。如果需要进一步的散热改进，可以考虑使用具有大铜面积的双面或多层 PC 板。

为确定工作结温，需要进行以下步骤：

1. 确定应用中的最大调节器功率耗散 (P_{D(max)})。
2. 确定应用中的最大环境温度 (T_{A(max)})。
3. 确定最大允许结温 (T_{J(max)})（LM2595 为 125°C）。为保证安全运行，保守设计中最大结温不应超过 110°C。结温每升高 10°C，组件的估计使用寿命将减半。
4. 确定封装的热阻 (R{theta JC})（结 - 壳）和 (R{theta JA})（结 - 环境）。
5. 使用以下公式计算 LM2595 消耗的近似总功率： [P{D}=(V{in} × I{Q}) + d × I{Load} × V{sat}] 其中，d 为占空比，对于降压转换器，(d=frac{t{on}}{T}=frac{V{O}}{V{in}})。(I{Q})（静态电流）和 (V{sat}) 可在 LM2595 数据手册中找到，(V{in}) 为施加的最小输入电压，(V{O}) 为调节器输出电压，(I_{Load}) 为负载电流。如果使用合适类型的续流二极管，可以忽略开关导通和关断期间的动态开关损耗。

结温可以通过以下表达式确定： [T{J}=(R{theta JA})(P{D}) + T{A}] 其中，((R{theta JA})(P{D})) 表示由耗散功率引起的结温升高，(T_{A}) 为最大环境温度。

如果实际工作结温大于步骤 3 中确定的安全工作结温，则需要使用散热片。结温将按以下方式计算： [T{J}=P{D}(R{theta JA} + R{theta CS} + R{theta SA}) + T{A}] 其中，(R{theta JC}) 为结 - 壳热阻，(R{theta CS}) 为壳 - 散热片热阻，(R_{theta SA}) 为散热片 - 环境热阻。如果实际工作温度大于所选的安全工作结温，则需要更大的散热片。

需要注意的是，封装热阻和结温升高的数值都是近似值，许多因素会影响这些数值，如 PC 板的尺寸、形状、厚度、物理位置、位置、板温度以及周围空气是流动还是静止。其他因素还包括走线宽度、总印刷电路铜面积、铜厚度、单面或双面、多层板、板上的焊料量甚至走线的颜色。板上其他组件的尺寸、数量和间距也会影响其散热效果。

其他应用

反相稳压器

使用 LM2595 的反相降压 - 升压稳压器电路如图 23 所示。该电路通过将调节器的接地端引导至负输出电压，将正输入电压转换为具有公共接地的负输出电压。通过将反馈引脚接地，调节器可以感应并调节反相输出电压。在这个例子中，LM2595 用于产生 - 12V 输出。在这种情况下，最大输入电压不能超过 +28V，因为调节器两端出现的最大电压是输入和输出电压的绝对值之和，且必须限制在最大 40V。

当输入电压为 12V 或更高时，该电路配置能够向输出提供约 0.25A 的电流。在轻负载时，所需的最小输入电压降至约 4.7V，因为降压 - 升压调节器拓扑可以产生绝对值大于或小于输入电压的输出电压。由于这种降压 - 升压配置中的开关电流比标准降压转换器拓扑中的开关电流高，因此可用的输出电流较低。

这种类型的降压 - 升压反相稳压器即使在轻负载下也可能需要大量的启动输入电流，这可能会使电流限制小于 1.0A 的输入电源过载。这种启动输入电流至少需要 2.0ms 或更长时间，实际时间取决于输出电压和输出电容的大小。由于这种反相调节器拓扑需要相对较高的启动电流，建议使用延迟启动或欠压锁定电路。使用延迟启动装置，输入电容可以在开关模式调节器开始工作之前充电到更高的电压。启动所需的高输入电流现在部分由输入电容 (C_{in}) 提供。

负升压稳压器

负升压稳压器是降压 - 升压拓扑的一种变体。该调节器的开关电流相对较高，特别是在低输入电压时。内部开关电流限制导致输出负载电流能力较低。图 27 所示的电路为负