LM2575：高性能降壓型開關穩(wěn)壓器詳解

　　LM2575是一款廣泛應用于電源管理領域的單片集成降壓（Buck）型開關穩(wěn)壓器。它集成了所有的控制電路和功率開關，能夠提供高達1A的輸出電流，并且具有出色的線路和負載調整率。與傳統(tǒng)的線性穩(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）轉換應用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

　　LM2575系列器件提供多種固定輸出電壓版本，如3.3V、5V、12V、15V以及可調版本，極大地簡化了電源設計過程。其內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)壓器內部集成了頻率補償和軟啟動功能，進一步簡化了設計并提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　核心特性與優(yōu)勢

　　LM2575之所以廣受歡迎，得益于其一系列卓越的特性：

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

　　固定工作頻率（52kHz）：內部固定的52kHz振蕩器頻率，使得設計人員無需外部定時元件。這個頻率是在開關損耗和外部電感、電容尺寸之間權衡后的結果，既保證了較高的效率，又能使用相對較小的外部元件。

　　多種固定輸出電壓版本與可調版本：LM2575提供了3.3V、5V、12V、15V等多種標準固定輸出電壓選項，以及一個可調版本（LM2575-ADJ）。固定電壓版本簡化了設計，只需幾個外部元件即可實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。可調版本則通過外部電阻分壓器，允許用戶在寬泛的電壓范圍內設置所需的輸出電壓，提供了更大的靈活性。

　　高達1A的輸出電流：LM2575能夠穩(wěn)定地提供高達1A的連續(xù)輸出電流，使其適用于驅動中等功率的負載。這使得它在各種應用中，從微控制器供電到小型電機驅動，都能夠勝任。

　　出色的線路與負載調整率：線路調整率表示輸入電壓變化時輸出電壓的穩(wěn)定性，而負載調整率則反映了負載電流變化時輸出電壓的穩(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，這對于對電源質量要求嚴格的敏感電子設備至關重要。

　　內部軟啟動功能：軟啟動功能可以有效限制啟動時的浪涌電流。在電源啟動時，輸出電壓會逐漸上升，而不是突然達到設定值，這避免了對輸入電源和負載的沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　熱關斷與限流保護：LM2575集成了完善的保護功能，包括熱關斷和電流限制。當芯片內部溫度超過安全閾值時，熱關斷功能會自動關閉芯片，防止過熱損壞。電流限制功能則在輸出電流超過預設值時限制輸出，保護芯片和負載免受過流損害。這些保護機制極大地增強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，通常包括一個電感、幾個電容和一個二極管（對于可調版本還需要兩個電阻），即可構成一個完整的開關穩(wěn)壓電源。這大大簡化了電路設計，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制（PWM）技術，通過控制內部功率開關的開關時間來調節(jié)輸出電壓。

　　開關周期：在每個開關周期開始時，內部功率開關（通常是一個MOSFET）導通。此時，輸入電壓通過電感向負載供電，并且電感中的電流線性增加，能量儲存在電感中。

　　關斷周期：當功率開關關斷時，電感兩端的電壓方向反轉，并與續(xù)流二極管構成回路。電感中儲存的能量通過二極管繼續(xù)向負載供電，電感電流線性下降。

　　PWM控制：LM2575內部的誤差放大器會比較輸出電壓的反饋信號（對于固定版本是內部基準電壓，對于可調版本是外部電阻分壓后的電壓）與內部精確的基準電壓。如果輸出電壓低于設定值，誤差放大器會輸出一個更高的電壓，這個電壓會調節(jié)PWM比較器的閾值，從而增加功率開關的導通時間（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，如果輸出電壓過高，則會減小占空比，降低輸出電壓。

　　紋波過濾：輸出端的LC濾波器（由電感和輸出電容組成）用于濾除開關動作產生的高頻紋波，從而提供平滑的直流輸出電壓。

　　整個過程通過高速反饋回路持續(xù)進行，確保輸出電壓在各種輸入和負載條件下保持穩(wěn)定。這種開關模式的工作方式使得LM2575能夠以高效率轉換電能，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，后者通過在調整元件上消耗多余電壓來穩(wěn)壓，導致大量的能量以熱能形式散失。

　　應用場景

　　LM2575因其通用性和高性能，在眾多電子設備中都有廣泛應用：

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

　　電池供電系統(tǒng)：在便攜式設備、消費電子產品和物聯(lián)網（IoT）設備中，電池電壓通常會隨著放電而降低。LM2575能夠將不穩(wěn)定的電池電壓轉換為穩(wěn)定的輸出電壓，確保設備的正常運行。其高效率特性對于延長電池壽命至關重要。

　　工業(yè)控制：在工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)中，經常需要將標準的工業(yè)電源電壓（如24V）轉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苛的環(huán)境。

　　汽車電子：汽車電源環(huán)境復雜且波動大，LM2575可以用于為車內的各種電子模塊（如信息娛樂系統(tǒng)、導航系統(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汽車電池電壓的變化。

　　離線開關電源預穩(wěn)壓器：在某些離線（市電輸入）開關電源設計中，LM2575可以用作前級預穩(wěn)壓器，將整流后的高壓直流電壓降低到后續(xù)DC-DC轉換器或線性穩(wěn)壓器所需的電壓范圍，從而提高整體系統(tǒng)的效率。

　　簡易降壓轉換器：對于需要將較高直流電壓降至較低直流電壓的簡單應用，LM2575是一個理想的選擇，因為它只需要極少的外部元件，且設計簡單。

　　設計考慮與選型指南

　　在設計LM2575為核心的電源電路時，需要仔細考慮以下幾個關鍵因素：

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

　　輸出電壓與電流：根據負載的需求選擇合適的固定輸出電壓版本，或者選擇可調版本來實現(xiàn)特定的輸出電壓。同時，確保LM2575能夠提供足夠的輸出電流以滿足負載的峰值需求。雖然LM2575額定電流為1A，但持續(xù)長時間運行在最大電流附近會增加芯片發(fā)熱，設計時應留有一定余量。

　　電感選擇：電感是開關電源中最重要的儲能元件。選擇合適的電感值和飽和電流至關重要。

　　電感值：電感值過小會導致輸出紋波過大，效率降低；電感值過大則會增加元件體積和成本，并可能影響瞬態(tài)響應。通常，數據手冊會提供推薦的電感值范圍，并給出計算公式。

　　飽和電流：電感的飽和電流必須大于流經電感的峰值電流。如果電感在峰值電流時飽和，其電感值會急劇下降，導致開關電源工作不穩(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，因為它會直接影響電源的效率。

　　尺寸與封裝：根據空間限制選擇合適的電感封裝類型，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，并為開關動作提供瞬時大電流。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。電容容量應足夠大，以應對輸入電壓的波動和瞬態(tài)負載變化。

　　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的電容對于減小輸出紋波至關重要。陶瓷電容、鉭電容或低ESR的鋁電解電容都是常見的選擇。容量大小和ESR值直接影響輸出紋波和瞬態(tài)響應。

　　續(xù)流二極管：LM2575是降壓型轉換器，需要一個外部續(xù)流二極管。肖特基二極管是理想的選擇，因為它具有較低的正向壓降和快速的恢復時間，能夠有效降低損耗并提高效率。二極管的反向耐壓應大于最大輸入電壓，正向電流額定值應大于最大輸出電流。

　　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，芯片仍會產生一定的熱量。需要根據封裝類型（如TO-220或DDPAK）和實際功耗計算所需的散熱面積，以確保芯片結溫不超過最大允許值。可能需要額外的散熱片或更大的PCB銅面積來輔助散熱。

　　PCB布局：良好的PCB布局對于開關電源的性能至關重要。

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

　　地線規(guī)劃：單點接地或星形接地有助于避免地環(huán)路噪聲。將功率地和信號地分離，并在一點匯合，可以有效降低噪聲對控制電路的影響。

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

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

　　EMI/EMC：開關電源固有的開關動作會產生電磁干擾（EMI）。良好的PCB布局、適當的屏蔽電感和濾波元件（如共模扼流圈、鐵氧體磁珠）可以有效抑制EMI。

　　典型應用電路

　　以下是LM2575固定輸出電壓版本和可調輸出電壓版本的典型應用電路概述：

　　1. 固定輸出電壓版本 (例如 LM2575-5.0)

　　這種配置最為簡單，通常只需要四個外部元件：

　　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電流。

　　輸出電容 (C_OUT)：連接在LM2575的OUT和GND之間，與電感構成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)：陽極接GND，陰極接LM2575的OUT引腳。

　　電路連接簡單直觀，適合對輸出電壓要求固定且不需額外調節(jié)的應用。

　　2. 可調輸出電壓版本 (LM2575-ADJ)

　　可調版本除了上述的電感、電容和二極管外，還需要兩個外部電阻來設置輸出電壓：

　　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。輸出電壓通過以下公式確定：

　　VOUT=VREF×(1+R2R1)

　　其中，VREF 是LM2575內部的基準電壓（通常為1.23V）。

　　通過精確選擇R1和R2的值，可以靈活地設置所需的輸出電壓。這種靈活性使得LM2575-ADJ在需要非標準電壓或需要電壓微調的應用中非常有用。

　　結論

　　LM2575系列降壓型開關穩(wěn)壓器憑借其高效率、易用性、集成保護功能以及僅需少量外部元件的特點，在各種電源管理應用中占據了重要地位。無論是用于工業(yè)控制、汽車電子、便攜式設備還是簡單的降壓轉換器，LM2575都提供了一個可靠、高效且經濟的解決方案。通過仔細遵循數據手冊中的設計指導并進行適當的元件選擇和PCB布局，工程師可以有效地利用LM2575來構建穩(wěn)定、高效的電源系統(tǒng)。