凡亿专栏 | 【模电】0018开关电源的应用举例
【模电】0018开关电源的应用举例

 这一节我们讲几个实例来分析开关电源的应用,这里我们以常见的LM2596开关电源芯片为例讲解。


1)LM2596的基本电路

LM2596的内部原理框图如下:

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可以看到:控制部分是由基准电压源、比较放大器GM、三角波发生器、比较器等组成;芯片内部集成了3A的调整管;这几个部分的和上一节我们讲的开关电源基本结构是类似的。

此外它内部还有一些缓冲、保护功能;使能功能,可以方便地由外部信号关断。

它需要外接续流二极管、电感、电容、反馈电阻才能形成基本的电路。

基本应用电路如下图所示:

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图中是固定输出的LM2596,将输出端(output)直接接到反馈端(FB)即可。

如果是可调输出的LM2596,需要将输出端使用电阻分压后,连接到反馈端,如下图:

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此时输出电压为Vout = 1.23V * R2/(R2 R3) 。

因为LM2596内部的参考电压为1.23V,可调输出的LM2596是将反馈端电压与内部基准源电压直接比较去控制输出的,所以外部Vout经两个电阻分压后,得到1.23V时电路能达到稳定。调整R3或者R2都能改变输出电压值。


2)作为恒流源驱动负载

有些负载需要恒流源驱动,如LED灯,尤其是照明用的高亮LED灯带,一般是多个大功率的LED串联,此时适用于用恒流源去驱动,如下图所示,是利用LM2596设计的恒流源驱动多个LED的电路:

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 图中将多个LED和一个电阻串联后作为负载,电阻上的电压作为反馈电压连到FB。在中间串联一个或多个LED,都可以保持电流稳定,只要保证Vin高于LED和电阻上的电压之和1~2V(这种连接方式只能降压)。

该电路分析如下:假设使用的的是可调输出的LM2596,则要求FB引脚的电压为1.23V才能稳定,所以Vout电压为1.23V,只要调节RL3的阻值,就可以调整流过LED的电流,图中的参数可以计算出电流为I=1.23V/12.3Ω=0.1A。


3)可调输出电源

简单的可调输出电源,可以使用前面描述的这个图,将R3换成可调电阻器,就能调整输出电压:

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这个电路虽然简单,但是它是通过改变反馈回路上的电阻来调节输出电压的,实际工程实现时,改变电阻的方法实现一般比较复杂,所以应用场合有限。

另一种实现方式,是如下图这样设计:

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这个电路可以使用外部电压Vc来控制输出电压Vout,用途要广一些。

分析过程如下:因为FB反馈引脚上的电压要为1.23V电路才能输出稳定,所以Vf=1.23V;

因为运放的虚短特性Vp=Vn,所以有:

Vout*R5/(R5 R6) = (Vc-Vf)*R3/(R3 R4) Vf

由于图中的参数取的是R5=R6,R3=R4,所以代入后,可以得到Vout/2=(Vf Vc)/2;

再把Vf的值代入,可以得到Vout = Vc 1.23V。

使用电压Vc去控制Vout,比改变电阻值去控制输出有很多优势,比如,可以结合DA(数模转换器)来实现一个数控电源;也可以将Vc作为弱信号的输入,而Vout作为功率放大后的输出,这其实是一种D类功放的实现方法。


4)PCB布局布线的要求

开关电源的布局布线对电源输出的纹波有很大影响,一般要求输入电容靠近电源芯片的输入引脚,续流二极管靠近输出引脚,反馈回路远离电感,电源周边的器件使用单点接地,并加粗地线,加粗输出电容正负端的连线等等。

如数据手册中的示意图和PCB布局布线参考:

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