基于LM2576的高可靠MCU電源設(shè)計(jì)

      嵌入式控制系統(tǒng)的MCU一般都需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作。而設(shè)計(jì)者多習(xí)慣采用線性穩(wěn)壓器件（如78xx系列三端穩(wěn)壓器件）作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件來將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變MCU所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會大的“熱損失”（其值為V壓降×I負(fù)荷），其工作效率僅為30%～50%[1]。加之工作在高粉塵等惡劣環(huán)境下往往將嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)置于密閉容器內(nèi)的聚集也加劇了MCU的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變得更差。

      而開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件則以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作。因此，工作時(shí)要么是大電流流過低導(dǎo)通電壓的開關(guān)管、要么是完全截止無電流流過。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70%～90%[1]。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對MCU工作環(huán)境的有害影響。

      采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來替代線性穩(wěn)壓電源作為MCU電源的另一個(gè)優(yōu)勢是：開關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。此外，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源“熱損失”的減少，設(shè)計(jì)時(shí)還可提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。

 

      LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是線性三端穩(wěn)壓器件（如78xx系列端穩(wěn)壓集成電路）的替代品，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動能力，從而為MCU的穩(wěn)定、可靠工作提供了強(qiáng)有力的保證。

1 LM2576簡介

      LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576系列包括 LM2576（最高輸入電壓40V）及LM2576HV（最高輸入電壓60V）二個(gè)系列。各系列產(chǎn)品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可調(diào)（-ADJ）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。此外，該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。

LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下[2]：

●最大輸出電流：3A；

●最高輸入電壓：LM2576為40V，LM2576HV為60V；

●輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可調(diào)）等可選；

●振東頻率：52kHz；

●轉(zhuǎn)換效率：75%～88%（不同電壓輸出時(shí)的效率不同）；

●控制方式：PWM；

●工作溫度范圍：-40℃ ～ +125℃

●工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制；

●工作模式控制：TTL電平兼容；

●所需外部元件：僅四個(gè)（不可調(diào)）或六個(gè)（可調(diào)）；

●器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限制；

●封裝形式：TO-220或TO-263。

      LM2576的內(nèi)部框圖如圖1所示，該框圖的引腳定義對應(yīng)于五腳TO-220封裝形式。

      LM2576內(nèi)部包含52kHz振蕩器、1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓，通常將比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓（1.23V），正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣可根據(jù)輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中R1=1kΩ（可調(diào)-ADJ時(shí)開路），R2分別為1.7 kΩ（3.3V）、3.1 kΩ（5V）、8.84 kΩ（12V）、11.3 kΩ（15V）和0（-ADJ），上述電阻依據(jù)型號不同已在芯片內(nèi)部做了精確調(diào)整，因而無需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23V進(jìn)行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

      由圖1及LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的特性可以看出，以LM2576為核心的開關(guān)穩(wěn)壓電源完全可以取代三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的MCU穩(wěn)壓電源。

2 LM2576應(yīng)用舉例

2.1 基本應(yīng)用設(shè)計(jì)

      由LM2576構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路僅需四個(gè)外圍器件，其電路如圖2所示。

      電感L1的選擇要根據(jù)LM2576的輸出電壓、最大輸入電壓、最大負(fù)載電流等參數(shù)選擇，首先，依據(jù)如下公式計(jì)算出電壓·微秒常數(shù)（E·T）：

E·T=（Vin - Vout）×Vout/ Vin×1000/f (1)

上式中，Vin是LM2576的最大輸入電壓、Vout是LM2576的輸出電壓、?是LM2576的工作振蕩頻率值（52kHz）。E·T確定之后，就可參照參考文獻(xiàn)[2]所提供的相應(yīng)的電壓·微秒常數(shù)和負(fù)載電流曲線來查找所需的電感值了。



      該電路中的輸入電容C2一般應(yīng)大于或等于100μF，安裝時(shí)要求盡量靠近LM2576的輸入引腳，其耐壓值應(yīng)與最大輸入電壓值相匹配。而輸出電容C1的值應(yīng)依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算（單位μF）：

 

C≥13300 Vin/ Vout×L （2）

      上式中，Vin是LM2576的最大輸入電壓、Vout是LM2576的輸出電壓、L是經(jīng)計(jì)算并查表選出的電感L1的值，其單位是μH。電容C鐵耐壓值應(yīng)大于額定輸出電壓的1.5～2倍。對于5V電壓輸出而言，推薦使用耐壓值為16V的電容器。

      二極管D1的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于LM2576的最大電流限制。二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍。參考文獻(xiàn)[2]中推薦使用1N582x系列的肖特基二極管。

      Vin的選擇應(yīng)考慮交流電壓最低跌落值（Vac-min）所對應(yīng)的LM2576輸入電壓值及LM2576的最小輸入允許電壓值Vmin(以5V電壓輸出為例，該值為8V)，因此，Vin可依據(jù)下式計(jì)算：

Vin≥（220Vmin/Vac-min）

      如果交流電壓最低允許跌落30%（Vac-min=154V）、LM2576的電壓輸出為5V（Vmin=8V），則當(dāng)Vac=220V時(shí)，LM2576的輸入直流電壓應(yīng)大于11.5V，通?？蛇x為12V。

2.2 工作模式可控應(yīng)用設(shè)計(jì)

      LM2576的5腳輸入電平可用于控制LM2576的工作狀態(tài)。5腳輸入電平與TTL電平兼容。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，LM2576正常工作；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，LM2576停止輸出并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。圖3是LM2576的工作模式可控電路原理圖。

      圖3中，下拉電阻R2可保證MCU-CON控制端為低時(shí)LM2576的正常工作，其值為1～10kΩ。MCU-CON的控制端信號來自MCU，該端為高電平時(shí)，LM2576停止輸出，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。開關(guān)K的閉合會使LM2576重新工作。R1的選擇與R2的阻值有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)保證當(dāng)MCU-CON控制端為高電平且K閉合時(shí)，R1不至于因過流而損壞MCU的輸出控制端。同樣，當(dāng)MCU-CON控制端為高電平且K斷開時(shí)，應(yīng)保證R2上的分壓大于TTL高電平的最小值（2V）。

 

2.3 與線性穩(wěn)壓器件的配合設(shè)計(jì)

 

      較高的輸出電壓紋波（一般大于20mV）是開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中不可回避的問題。在某些對電源紋波電壓有特殊要求的場合（如MCU內(nèi)部有高精度A/D轉(zhuǎn)換器等），可采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來提高穩(wěn)壓電源的工作效率或采用線性穩(wěn)壓電源來降低穩(wěn)壓電源的輸出紋波電壓。因此，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相結(jié)合的形式可為有特殊要求的MCU供電提供一種更好的方法。圖4是低紋波輸出電壓穩(wěn)壓電路原理圖。

      圖4中的前半部類似于圖2，為了提穩(wěn)壓電源的整體工作效率，當(dāng)IC2采用7805時(shí)，由于7805的最小輸入電壓為7.5V，因此，圖4中的開關(guān)穩(wěn)壓集成電路采用了可調(diào)節(jié)輸出芯片（LM2576-ADJ），圖中，開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓Vort與 R1和R2的關(guān)系如下：

Vort=1.23×（1+ R2/ R1）

3 結(jié)束語

      經(jīng)實(shí)際使用證明，采用LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為MCU穩(wěn)壓電源的核心器件不僅可以提高穩(wěn)壓電源的工作效率，減少能源損耗，減少對MCU的熱損害，而且可減少外部交流電壓大幅波動對MCU的干擾，同時(shí)可降低經(jīng)電源竄入的高頻干擾，這對保障MCU的安全和可靠運(yùn)行能起到事半功倍的作用。