基于LM2593HV調(diào)節(jié)器的降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

摘要：LM2593HV是國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款新型降壓（突變）調(diào)節(jié)器，它可輸出3.3V和5V的固定電壓，也可以根據(jù)需要對(duì)其輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，其最大負(fù)載電流為2A。文中介紹了LM2593HV的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能原理及外圍元器件選擇中應(yīng)注意的問(wèn)題，并給出了幾個(gè)典型的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器 調(diào)節(jié)器 降壓 LM2593HV

1 LM2593HV的特點(diǎn)

LM2593HV是國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款可降壓（突變）交換調(diào)節(jié)的單片IC。這款調(diào)節(jié)器的輸出為固定的3.3V和5V，也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，其可調(diào)范圍為1.2～57V，并具有極好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)功能，可驅(qū)動(dòng)2A的負(fù)載。在完全的輸入和輸出條件下，它的輸出電流的容許誤差為±4%，振蕩頻率的容許誤差為±15%.另外，LM2593HV還具有外部關(guān)斷和自保護(hù)功能，并可工作在150kHz的變換頻率下。在低功耗待命狀態(tài)下的典型備用電流僅為90μA，從而可大大降低系統(tǒng)的功耗。該芯片內(nèi)部還設(shè)計(jì)有過(guò)溫關(guān)斷和兩級(jí)限流保護(hù)功能?？蓱?yīng)用在簡(jiǎn)單高效的降壓（突變）調(diào)節(jié)、線性調(diào)節(jié)器的預(yù)調(diào)節(jié)、帖片交換及正負(fù)轉(zhuǎn)換等調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。LM2593HV的主要特點(diǎn)如下：

●具有固定的3.3V、5V和可調(diào)電壓輸出；

●可調(diào)輸出電壓范圍為1.2～57V，最大容許誤差為±0.4%；

●輸出負(fù)載電流為2A；

●最大輸出電壓可達(dá)60V；

●內(nèi)置150kHz的振蕩固定頻率；

●內(nèi)含關(guān)斷和軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)；

●具有可調(diào)輸出錯(cuò)誤標(biāo)志；

●具有錯(cuò)誤標(biāo)志延遲功能；

●具有低功耗模式，典型值為90μA；

●效率極高；

●具熱關(guān)斷和限流保護(hù)功能。

2 LM2593HV的引腳功能

LM2593HV采用標(biāo)準(zhǔn)的7腳TO-220和TO-263表面帖兩種封裝形式，其中TO-220封裝形式還有不同的彎曲引腳可供選擇，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求，圖1所示是其外形封裝圖。

LM2593HV內(nèi)部包含有頻率補(bǔ)償、固定頻率振蕩器、關(guān)斷/軟啟動(dòng)、錯(cuò)誤輸出標(biāo)志、標(biāo)志延遲、過(guò)熱保護(hù)、電流源及電壓源等電路。各引腳功能如下：

VIN（1腳）：正電源輸入端。在該腳接入合適的旁路電容可優(yōu)化其瞬變電壓，并可為芯片提供所需的交換電流。

OUTPUT（2腳）：內(nèi)部開(kāi)關(guān)輸出端。在VOUT/VIN的一個(gè)工作周期內(nèi)，該腳上的電壓可在（+VIN-VSTART）和-0.5V之間相互切換。

ERROR FLAG（3腳）：錯(cuò)誤標(biāo)志輸出端。當(dāng)芯片的輸出電壓超出調(diào)整范圍（至少95%的標(biāo)稱(chēng)值）時(shí)，其內(nèi)部三極管的開(kāi)路集電極輸出為低（≤0.6V）時(shí)，芯片處于關(guān)斷狀態(tài)，其賦關(guān)斷電流為90μA；該腳為高電平（≥2.0V）時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)。它的典型開(kāi)關(guān)閾值電壓為1.3V，內(nèi)部最大箝位電壓為7V。若輸入該腳的電壓比箝位電壓高，則必須通過(guò)外部電阻進(jìn)行分壓以確保它的電流不超過(guò)1mA。當(dāng)輸入該腳的電壓達(dá)到1.8V，芯片的工作周期最小，而后隨著電壓的升高，工作周期也隨之增大，當(dāng)達(dá)到2.8V或更高時(shí)達(dá)到最大（100%）.因此，在該腳接入一個(gè)電容可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，芯片的內(nèi)部電源源將給該電容充電電到箝位電壓。該腳的電壓低于1.3V時(shí)，其充電電流為5μA，而在高于1.3V時(shí)將降至1.6μA，這可用較小的軟啟動(dòng)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 元器件的選擇

3.1 電感

正常啟動(dòng)（非軟啟動(dòng)，也非輸出短路）時(shí)，經(jīng)過(guò)電感的電流將可能因?yàn)樗查g的變化而超過(guò)芯片限制電流ICLIM，ICLIM應(yīng)比負(fù)載電流ILOAD大。在過(guò)載狀態(tài)下，還有可能導(dǎo)致電感的飽和。通常，芯片會(huì)通過(guò)阻止電感電流超過(guò)ICLM來(lái)保護(hù)自身。但如果DC輸入電壓超過(guò)40V，芯片將無(wú)能為力，使通過(guò)電感的電流會(huì)一直升高到器件損壞。為了確保系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)DC輸入電壓超過(guò)40V時(shí)，電感的瞬時(shí)電流應(yīng)設(shè)置為ICLIM而不是電感的飽和電流。

3.2 輸入電容

在地與VIN腳之間應(yīng)接一個(gè)旁路電容，而且應(yīng)盡量靠近芯片，引腳也應(yīng)盡中能短。該電容可用來(lái)防止輸入端的大電壓瞬變，也可為開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)提供瞬時(shí)電流。

3.3 輸出電容

輸出電容COUT可用來(lái)對(duì)輸出進(jìn)行濾波，以提高芯片環(huán)路的穩(wěn)定性。COUT應(yīng)為低阻抗、低ESR固態(tài)箔式電容，它的ESR值最少不能低于100mΩ,否則可能造成短路。但若ESR太大，鈄可能影響到系統(tǒng)效率和輸出額定電壓，因此，對(duì)ESR必須小心選擇。

3.4 箝位二極管

由于LM2593HV的開(kāi)關(guān)速率很快且前向電壓降較低，因此要選用一個(gè)肖基特二極管，以便在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為電感提供電流。該二極管的額定電壓應(yīng)大于DC的輸入電壓（非輸出）。

3.5 關(guān)斷/軟啟動(dòng)

在內(nèi)部電流受限時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的電流抑制是非常有用的。可用軟啟動(dòng)替代壓封鎖或延遲啟動(dòng)，而極低的輸出電壓斜波需要較大的軟啟動(dòng)電容。若僅用到關(guān)斷功能，則可省掉該電容。

4 常規(guī)應(yīng)用

4.1 反向調(diào)節(jié)器

圖2是帶有一個(gè)公共地的正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換電路。LM2593HV可在FEEDBACK腳檢測(cè)到反向輸出電壓，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。LM2593HV的最大輸出電流取決于輸入、輸出電壓的大小。其開(kāi)關(guān)峰值電流IPEAK由下式?jīng)Q定（效率為100%）：

IPEAK=ILOAD(VIN+VOUT)/VIN+[(VINVOUT) ×[(VINVOUT×10 6)/2Lf(VIN+VOUT)]

式中：L單位為μA，f單位為Hz。

通過(guò)調(diào)節(jié)器的最大電壓是輸入、輸出電壓的絕結(jié)值之和，但不能超過(guò)60V。如將20V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成-5V的輸出電壓，則在地與輸入腳間的電壓為25V。LM2593HV允許的最大輸入電壓為60V。

圖2中的二極管D1可用來(lái)消除在小負(fù)載或無(wú)負(fù)載情況下的輸入電壓脈沖噪聲。在低輸入時(shí)，可用肖特基二極管，而在高輸入時(shí)可用1N5400。

該調(diào)節(jié)器在啟動(dòng)時(shí)需較大的輸入電流，即使是在小負(fù)載時(shí)，也應(yīng)與LM2593HV的電流（約4.0A）相當(dāng)。因此，圖2中便用了軟啟動(dòng)電路。同時(shí)給出了它的幾種關(guān)斷方式。

4.2 欠壓鎖定

在有些應(yīng)用中，需要調(diào)節(jié)器在輸入電壓到預(yù)公平值時(shí)不再變化。圖3是突變式調(diào)節(jié)器的欠壓鎖定電路，圖4是其反向時(shí)的連接電路。圖3用齊納二極管Z1來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)的閾值電壓。當(dāng)輸入小于齊納電壓時(shí)，電阻R1、R2將SD/SS腳置低，芯片開(kāi)始工作。欠壓鎖定的閾值電壓比齊納電壓約高1.5V。圖4（a）給出了開(kāi)和關(guān)的一個(gè)連續(xù)閾值電壓。若用磁滯電路。則圖4（b）的開(kāi)電壓與關(guān)電壓將有所不同。其磁滯量近似等于輸出電壓值。由于SD/SS腳寄存有一個(gè)約7V的齊納鉗位電壓，所以，當(dāng)Q1開(kāi)路時(shí)，通過(guò)R2的電流約為1mA。

4.3 負(fù)電壓充電泵

有時(shí)電路也可以用一個(gè)充電泵來(lái)滿足小電流、負(fù)電壓輸出的需要，具體電路如圖5所示。這個(gè)負(fù)電壓的大小等于正確入電壓，并可提供600mA的輸出電流。然而必須保證在可調(diào)節(jié)正輸出端有最小1.2A的負(fù)載，以確保充電泵的正常工作。電阻R1用于使C1的充電電流不大于LM2593HV的限制電流。這種方法也可用于其它簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

5 典型應(yīng)用

LM2593HV的應(yīng)用十分廣泛，而且只需極少的外部元器件即可達(dá)到穩(wěn)壓的目的，操作也很方便、簡(jiǎn)單。圖6是LM2593HV的典型應(yīng)用電路圖。