Импульсный регулятор на LM2576

Мы знакомы с линейным регуляторами, особенно трехвыводные TO-220 типа 7805 и LM317, Они являются недорогими, и их малошумящая и быстрая переходная характеристика делают их идеальными для многих приложений. Их один недостаток - неэффективность. Например, 7805, при входном напряжении 12В и токе 1А, на нагрузке будет 5 Ватт, и 7 Ватт рассеется на 7805. Плюс, требуется радиатор для охлаждения.

Когда важна эффективность — при работе от батареи — мы выбираем импульсный регулятор. Фактически, самое современное оборудование использует  в виде автономных источников питания и импульсных регуляторов. Но много радиолюбителей, увлечённых своим хобби, уклоняются от импульсных регуляторов. Использование LM3524 требует большое количество внешних деталей, так-же и внешнего коммутационного транзистора. И большие требования для катушки индуктивности. Как выбрать правильно, и где их взять?
К счастью, более новый импульсный регулятор, типа LM2576 от National Semiconductor's, позволяет собирать так же легко, как использование 7805.

 Микросхема выпускается в пятивыводном корпусе типа TO-220 как показано на рис. 1, так же и ТО-263 для поверхностного монтажа. Выходной ток - до 3А и на несколько напряжений (3.3V, 5 V, 12V, 15V) и в версии регулируемого выхода.
При проектировании получается малый размер платы. Мы спроектируем схему, использующую LM2576T-AD (версия с регулируемым выходом в корпусе ТО-220). Схема показана на рис.2.

 Перечень элементов

Немного теории

 В линейных регуляторах внутренний транзистор всегда проводит ток. Но в импульсном регуляторе, внутренний транзистор работает в импульсном режиме.Когда транзистор полностью открыт, на нем почти не рассеивается мощность. Когда же он отключен, ток через него не проходит, и таким образом, Рассеиваемая мощность - 0. Но как получить регулируемое напряжение, если транзистор находится только во включенном и выключенном состоянии? Здесь нам поможет катушка индуктивности. Посмотрите Рис.3, здесь показана упрощенная версия нашей схемы.

 Рис.3(A), выключатель закрыт. Ток проходит от источника питания, через катушку индуктивности, через нагрузку, и назад, к источнику питания. Магнитное поле повышается в катушке индуктивности, и на конденсаторе повышается напряжение. Поскольку ее магнитное поле расширяется с увеличением тока, катушка индуктивности противодействует потоку тока, генерируя обратный эдс, что обозначено положительным знаком. Заметьте, что диод подключен в обратной полярности и ток не проводит.

 Рис.3(B), выключатель разомкнут. Ток не проходит через катушку индуктивности. Но магнитное поле запасло энергию в катушке индуктивности, и энергия не может просто исчезнуть. Таким образом магнитное поле катушки индуктивности генерирует напряжение, которое держит ток, текущий в том же самом направлении, что обозначено положительным знаком. Ток, протекающий при незамкнутом выключателе - свободная энергия передается от катушки индуктивности до нагрузки. Напряжение, генерируемое катушкой индуктивности будет проходить через диод и течет в замкнутом контуре.
При включении выключателя снова, цикл повторяется. Выходное напряжение определено рабочим циклом выключателя. Рабочий цикл установлен контуром обратной связи, не показанным в иллюстрации 3. Конденсатор понижает пульсации напряжения на нагрузке.

Рабочий цикл и Выходное напряжение
Давайте определять время цикла импульсов как инверсия частоты импульсов: T = 1/f. Тогда рабочий цикл (d) - отношение времени, пока импульсник закрыт для времени цикла.
В импульсном регуляторе отношения между выходным напряжением (Vout) и входным напряжением (Vin) зависит от рабочего цикла:
Vout = d x Vin
Теперь, когда мы знаем теорию, давайте соберем схему.

Построение
Перед созданием платы, соберем схему на макетной плате. На Рис.4 схема собрана на перфорированной макетной плате.
На Рис. 4, Вы можете видеть, что все связи спаяны с другой стороны монтажной платы. Токовые цепи пропаиваем толстым проводом для уменьшения сопротивления проводника. В Импульсном регуляторе важно соеденить все части  заземления коротким проводом с низким сопротивлением. Если микросхема греется, необходимо установить нгебольшой радиатор.

 Как только схема на макетной плате была проверена, можно собрать  печатную плату, как показано на рис.5 (катушка индуктивности - за большим конденсатором в середине). И хотя на Рис. 5 показана двусторонняя печатная плата, на стороне монтажа - одна перемычка. Остальная часть со стороны монтажа - надписи (V и т.д.). Можно собрать односторонюю плату с единственной проволочной перемычкой.

 Катушка индуктивности
Так как это - ключевой компонент, мы сначала обсудим ее. В даташите от National Semiconductor для LM2576 описано, как выбрать катушку индуктивности.
Мы собираем проект с током до 1 ампера и напряжением 12-32 В. Посмотрите на Рис.6, На графике видна зависимось  индуктивности от тока и напряжения. Наша область применения лежит в пределах 220-330 мкГн. Заметьте, что более высокое входное напряжение требует большей индуктивности. Я фактически не подхожу к 40 В, таким образом мы выбираем индуктивность - 220 мкГн. (Можно использовать и 330 мкГн, ничего не сгорит, но изменится частота переключения.)

 Диоды
Как упомянуто раньше, диод D1 защищает от входного напряжения обратной полярности. Можно использовать  1N4001 или подобный диод. Диод D2 - импульсный диод. Как обсуждалось, импульсный диод обеспечивает петлю для  катушки индуктивности, когда выключатель открывается. В импульсном регуляторе выключатель открывается и закрывается намного быстрее чем 60 раз в секунду. LM2576 переключает с частотой 52 кГц; другие регуляторы переключают в частотах выше мегагерц, таким образом выбор импульсного диода важен.
В то время как диоды1N4001 прекрасно работают с частотой в 50-60 Гц, они не работают так хорошо над высокими частотами, используемыми в импульсных регуляторах. Определенное количество емкости связано со смещением диода. Время, требуемое для переключения диода,  называют обратным временем восстановления (trr). Для 1N4001, trr - приблизительно 30 нСек.
Но при частоте 52 кГц, время цикла - T - 1 / (52 x 1000) который является приблизительно 19 нСек. Что случилось бы, Если бы мы использовали 1N4001 как импульсный диод в нашей схеме? Со временем восстановления почти в два раза больше, чем время цикла, диод никогда не прекращал бы проводить. Мы могли бы также заменить это частью провода! Очевидно, мы нуждаемся в более быстром диоде. Есть несколько типов импульсных диодов, разработанных, чтобы использовать как импульсные диоды; они имеют маленький trr. Один тип, обычно используемый - диод Шотки. В этом проекте мы будем использовать 1N5819 диод Шотки, который имеет trr меньше чем 10 наносекунд и падение напряжения 0.6 В при одном ампере. Для сравнения, диод 1N4001 имеет падение напряжения  1.1 В при 1 А.

Конденсаторы
В нашем регуляторе требуется два электролитических конденсатора, C1 и C2. C2 должен отфильтровывать пульсации выходного напряжения. Так как у нас частота переключения 52 кГц, требования к C2 меньше чем, если бы он отфильтровывал при частоте в 50-60 Гц при линейном регуляторе напряжения. Рис.8 показывает пульсации, которые отфильтровывает C2. С другой стороны, функция C1 должна гасить импульсы тока при работе  LM2576. Рис.9 показывает, как проходил бы ток LM2576. Отметьте быстрое время переключения.... Без C1, индуктивность в проводе между Vin и LM2576 вызывала бы снижение напряжения каждый раз при переключении, и схема будет непостоянна.
Как и с диодами, подходят не все электролитические конденсаторы. Два важных параметра для конденсаторов фильтра - ток пульсаций и эквивалентное сопротивление (ESR).
Для C2, мы можем использовать универсальный алюминиевый электролитический конденсатор.  Я использовал 1200 uF.

Посмотрите еще раз на Рис.9. Та квадратная волновая форма означает высокий ток пульсаций, таким образом C1 должен иметь очень низкий ESR, чтобы препятствовать конденсатору нагреваться. (Я видел, что конденсаторы становятся настолько горячими, что обжигали палец.).

Обратная связь
Потенциометр R1 параллельно выходному напряжению обеспечивает обратную связь, требуемую LM2576 для поддержки выходного напряжения постоянным. Значение R1 важно. Если будет  слишком большим, то выходное напряжение понизится при увеличении тока. Если будет слишком маленьким, Вы теряете мощность. Значение 2 кОма будет оптимальным. Я использовал проволочное сопротивление.

Диапазон Напряжений
Выходное напряжение может быть отрегулировано от минимума приблизительно 1.2 вольта до максимума близко к входному напряжению. Стандартная версия LM2576 рассчитана на 40 вольт. Версия HV имеет максимальное напряжение 60 вольт. Для этого проекта, Vin ограничено в 35В конденсаторами.

 Перевод - MACTEP